[发明专利]使用含氧燃料燃烧来发电的系统及方法

说明书

技术领域

本发明主要涉及使用含氧燃料燃烧来产生功率(例如，发电)的系统及方法。更具体而言，本发明涉及包括用于增强火焰稳定性的等离子发生器的燃气轮机。

背景技术

由化石燃料在例如发电系统中燃烧所产生的排气流含有作为燃烧期间副产物的氮氧化物(NO_x)和一氧化碳(CO)。来自于采用化石燃料的发电设备的NO_x和CO排放日益受到国家和国际法规的处罚。随着排放NO_x和CO成本的增加，对于经济发电而言减少排放很重要。

一种减少NO_x排放的方法是通过选择性催化还原来从排出气体中除去NO_x。一种不需要从排气中除去NO_x而获得接近零的NO_x的方法为含氧燃料燃烧过程。在该方法中，纯氧(通常结合次要气体如CO₂)用作氧化剂，这与使用空气相反，从而产生NO_x排放可忽略的烟道气体。在含氧燃料过程中，当能够以氧化剂中最低可能的O₂浓度来稳定燃烧火焰时，则可产生较低的排气CO排放。最大限度减少的O₂氧化剂还导致在排气流中产生较低的O₂含量。此外，接近于化学计算的燃料与氧之比(ф＝1)或利用略微富集的燃料进行的燃烧过程最大限度地减小了排气中的O₂含量，从而使高的CO₂浓度能够用于下游的过程。然而，将含氧燃料O₂浓度降低至某一水平以下可导致火焰稳定性问题。

因此，需要一种确保较低水平的NO_x和CO排放又保持火焰稳定性的用于发电的系统及方法。

发明内容

简言之，在一个实施例中，提供了一种系统。该系统包括提供氧输出的空气分离单元；能够产生等离子的等离子发生器；以及燃烧器，其构造成用以接收氧和用以在存在等离子的情况下燃烧燃料流，以便保持稳定的火焰，同时产生排出气体。该系统还包括流体地联接到燃烧器上的水冷凝系统。水冷凝系统能够产生基本上不含氧的高含量二氧化碳流。

在一些实施例中，该系统包括构造成用以压缩空气或氧的压缩机；提供氧输出的空气分离单元；能够产生等离子的等离子发生器；以及燃烧器，其构造成用以接收经压缩的氧和用以在存在等离子的情况下燃烧燃料流，以便保持稳定的火焰，同时产生排出气体。该系统还包括用于从燃烧器接收排出气体来发电的涡轮；以及流体地联接到涡轮上的水冷凝系统。水冷凝系统能够产生基本上不含氧的高含量二氧化碳流。

在另一实施例中，提供了一种在发电设备中产生能量的方法。该方法包括以下步骤：操作空气分离单元以从空气中分离氧，在存在氧的情况下在燃烧器中燃烧燃料流，由燃烧产生排出气体，其中排出气体包括二氧化碳和水；使用排出气体操作涡轮来发电；在排出气体用于发电之后从排出气体中冷凝出水，以便获得基本上不含氧的高含量二氧化碳流；将至少一部分二氧化碳流引送至燃烧器；使用等离子发生器在燃烧器内产生等离子；以及通过调整二氧化碳供送速率和等离子的功率水平，在存在等离子的情况下，在大于最终所产生的氧化剂成分体积的大约70％的二氧化碳水平下在燃烧器中保持稳定的火焰。

附图说明

当参照附图阅读以下详细说明时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，其中相似的标号在所有附图中代表相似的部分，在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的涡轮系统；

图2比较了对于多种气体混合物的平衡火焰温度；

图3示出了根据本发明的另一实施例的涡轮系统；

图4示出了根据本发明的另一实施例的涡轮系统；

图5示出了用于评估存在等离子的含氧燃料燃烧的实验系统。

图6描绘了在等离子状态或非等离子状态下的CH₄-氧燃烧系统的火焰图像；

图7为描绘在具有和没有等离子的情况下随化学计算的CH₄-氧(氧化剂)反应混合物的标称速度而变化的用于稳定燃烧所需氧水平的图表；

图8为描绘随氧化剂的氧浓度而变化的稳定燃烧所需等离子功率(W_avg)的图表；

图9为描绘针对基于CH₄-氧燃烧的实验系统而言随火焰温度而变化的一氧化碳(CO)排放的图表；

图10为描绘针对基于CH₄-氧燃烧的实验系统而言随火焰温度而变化的氧排放的图表；