[发明专利]固定式燃气轮机的被动冷却催化燃烧器

说明书

本发明涉及固定式燃气轮机，更具体地说，涉及一种催化燃烧器，这种燃烧器采用了催化和非催化基底通道组成的一种结构以便实现催化燃烧器的被动冷却。

一般燃气轮机工作时，大气中的空气由于一个多叶片压缩机组的转动而被压缩和加热，並流过多个燃烧器组件，在那里燃料与压缩空气混合並且形成的混合物被点火和燃烧。这样释放出的热能流入燃气中，到达透平组件，在那里转变成驱动如发电机或推动工业过程的设备等的转动能量。

已经对在上述场合使用燃气轮机，而又不超过NO_X排放标准的各种方案进行了探索。采用催化燃烧是一种可行的办法，因为它可在大约2300至2500°F的温度下进行，从而产生适合于燃气轮机效率的高透平进口温度，而又不会出现氮和氧发生反应产生明显的NO这种副作用，产生NO_X反应的温度高于3000°F。而一般火焰燃烧温度约为4500°F，结果产生NO_X，这样就会超过如加利福尼亚这样的对此有严格限制的地区的标准。

在典型的催化燃烧器中，如美国专利4，413，470和加拿大专利1，169，257中所公开的，常用的催化剂被支持（即包复）在各种基底上（如陶瓷蜂窝结构），这样当采用合适的燃料和空气的混合物时，就能作为点燃和稳定燃烧过程的一种有效手段。这些燃烧催化剂有几个理想的特性：能减少NO产生，並改进特性系数。然而，它们的局限性之一是，它们的最高工作温度只能勉勉强强地被接受为透平入口温度。

这一局限性是催化燃烧器所固有的。催化剂在其表面並在低于正常点火温度的温度下引起燃烧反应。然而，一旦反应开始，就在气流中继续並且以复烧的形式越过催化剂。同时，催化剂基体温度增加，使反应加速，这样使催化剂中的反应区向上游运动。这样，如果燃料/空气比给出一个过高的催化剂出口温度的话，就会造成催化剂和（或）催化剂基底被破坏的后果。现有的催化剂的扩展工作能力约为2289°F（1527°K）。然而，透平入口温度约为2500°F（1650°K）时比较理想。因此，上述的催化剂温度极限使得催化剂不能提供这一透平入口温度。

本发明的主要目的是提供一种满足透平入口温度要求而又不损坏催化剂的技术。

为此目的，本发明归属于固定式燃气轮机的催化燃烧器单元，它包括：（a）一个由多个基本平行的，两端开口並暴露于从中通过的热燃料和空气混合物的通路组成的基底;特征在于，只在一些经过选择的通道上复盖催化剂，而其他通路上不复盖催化剂，以形成一种由催化通道和非催化通道组成的结构，在催化通道中混合物被催化反应，在非催化通道中混合物基本上不发生化学反应而是为该基底提供冷却，从该非催化通道来的混合物与来自催化通道的气体混合以在由催化通道和为被动冷却催化燃烧器用的非催化通道组成的该催化燃烧器单元的下游处直接燃烧，它允许催化剂在比其他情况下较高的反应温度下工作，並且使催化燃烧器能在燃烧速度较高的燃气轮机上使用。在催化基底平行通道的一部分壁上复盖催化剂，未复盖催化剂的通道用来冷却暴露于复盖催化剂的通道中的反应气流的共有的壁。本发明另外的应用包括使催化剂反应能力适合燃料准备区特性和（或）透平入口特性参数要求。

基底最好由确定了排成行列的平行通道的交叉的壁组成。这些壁接近並确定了有关的通道。每个壁段都有一对背向的表面区域，其中一个暴露于两个相邻的通道中的一个，另一个暴露于两相邻通道中的另一个。

还有，在暴露于某些通道的某些壁表面区复盖催化剂，而在另一些上不复盖催化剂，这样，基底具有一种由催化通道和非催化通道组成的结构，在催化通道中混合物被催化反应，在非催化通道中，混合物基本上不反应，而使基底被动冷却。还有，复盖催化剂的表面区和不复盖催化剂的表面区有共同的壁段，以便在接近催化表面区的通道中发生催化反应，同时在相邻的接近非催化表面区域的通道中发生冷却。

催化和非催化通道的其他组合是可能的。一种方案，其催化通道和非催化通道之比为1∶1。另一种方案中，其比则为3∶1。

通过对附图所示的本发明实施例的下列说明，本发明将变得更加清楚。

图1是一般的固定式燃气轮机的局部剖开的侧视图。

图2是经过修改以安装按本发明原理构造的催化燃烧器的图1所示的燃气轮机燃烧器的局部剖开的放大图。

图3是图2所示的催化燃烧器的局部剖开的放大图，还显示出燃烧器的下游端和过渡通道的上游端，二者均与催化燃烧器流体相通。

图4显示了催化燃烧器基底一部分的纵向剖视图，显示了其中加衬和不加衬的通道。