[发明专利]用于燃烧器排放物控制的系统和方法

说明书

技术领域

本申请和所得专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更特定而言，涉及用于改进氮氧化物(NO_x)排放物控制以及减少二氧化氮(NO₂)产生的系统和方法。

背景技术

在燃气涡轮机的运行中，常常在排气中产生氮氧化物(NO_x)，其中NO_x包括氧化氮(NO)和二氧化氮(NO₂)。随着全世界对NO_x排放物的规程变得更加严格，减少这种排放物是重要的设计准则。例如，美国环境保护署最近实施了关于在包括启动的所有运行阶段期间烟囱(stack)NO₂每小时排放量的新规程。

一种用于降低NO_x总排放量的解决方案是使用选择性催化还原(“SCR”)系统。这样的SCR系统可以经由管道连接到燃气涡轮机出口。SCR系统在排气流经过催化床之前将还原剂(通常为氨或尿素)加入到排气流中，以便选择性地吸收氮氧化物和还原剂。所吸收的组分在催化剂表面上经历化学反应，并且反应产物被解除吸附。具体而言，还原剂与排气流中的氮氧化物反应而形成水和氮气。使用其它类型还原剂的催化剂也是本领域已知的。

SCR系统的效率可以部分地取决于排气流的温度。然而，SCR系统的性能也可以部分地取决于作为总NO_x百分比的NO₂的含量。例如，对于与氨或尿素一起使用的催化剂来说，NO₂与NO的优选比率可以为约1:1。对于其它催化剂的优选比率可以在0:1和1:0之间的范围内。

在某些燃气涡轮机运行条件期间，燃气涡轮机出口处的NO₂与NO的比率可以很低，其中NO为全体NO_x的主要成分。在其它运行条件期间，NO₂与NO的比率可以很高。当排气以相对较低的速度在管道中从燃气涡轮机出口朝SCR流动从而沿该途径与其它排气成分反应时，NO₂与NO的比率也可以变化。事实上，在燃烧气体中NO向NO₂的转化可能对温度、一氧化碳(CO)的存在以及由于未燃烧的燃气涡轮机燃料而导致的未燃烧烃(UHC)的存在很敏感。构成管道的材料也可能有助于NO向NO₂的转化。在燃气涡轮机燃烧流中NO向NO₂的转化可能是不期望的，因为它可能降低包括SCR系统的下游NO_x还原设备中的NO_x还原效率。管道内也可存在可以影响燃烧气体温度的其它构件。这些构件可包括热交换器、导管燃烧器等。

燃气涡轮机下游的NO向NO₂的转化也可能受到CO催化剂的存在的影响。CO催化剂可以在燃气涡轮机下游和NO_x还原设备上游用来将CO转化为CO₂，以便减少CO排放。这样的CO催化剂也可以促进NO向NO₂的转化。例如，在700华氏度(约371摄氏度)下，市售的CO催化剂可以将约95%的CO氧化成CO₂，并且还将约16%的NO氧化成NO₂。燃烧气体温度在CO催化剂处可以稍低于在燃气涡轮机出口处。这样的CO催化剂可以使NO_x还原设备具有不希望的NO₂与NO的更高比率。

因此，期望用于控制燃气涡轮发动机(一般而言)和包括SCR系统的NO_x还原系统(具体而言)的改进的方法和系统，以便产生尽可能少的NO₂和/或产生所期望的NO₂与NO的比率，从而促进增加的NO_x还原效率。这样的改进的方法和系统将促进减少的排放物，而不牺牲燃气涡轮机的总输出和效率。具体而言，本文所述的改进的方法和系统可用来减少CO催化剂上游的NO向NO₂的转化，以便确保在CO催化剂下游和在NO_x还原设备入口处的可接受的NO₂与NO的比率。

发明内容

因此，本申请和所得专利提供了一种燃气涡轮发动机系统。该燃气涡轮发动机系统可包括燃气涡轮发动机、与燃气涡轮发动机下游的燃烧气体流连通的氮氧化物还原系统以及氮氧化物控制器，该控制器用于控制进入氮氧化物还原系统的燃烧气体流中的二氧化氮与氮氧化物的比率。