專利名稱：汽化燃燒用液體燃料的系統及其使用方法
技術領域：
本發明涉及用于在燃燒裝置中適當地汽化、混合和傳輸液體燃料或液化氣的方法和裝置。
背景技術：
燃燒裝置，如用于發電的燃氣輪機發動機，通常以天然氣作為燃料(例如，壓縮天然氣或CNG)。通常，天然氣由約90-98體積％的甲烷(CH4)組成，盡管某些含有低至82％的甲烷的氣體也被稱為天然氣。除了甲烷外，天然氣可以包括CO2、O2、N2和高級碳氫化合物氣體，如C2(乙烷、乙烯、乙炔)、C3(丙烷)、C4(丁烷)和C5(戊烷)。
在近來對燃氣輪機發動機用燃燒系統的研究中，通過在使用天然氣時采用貧燃料預混合燃燒方式(lean，premixed combustion)，在廢氣排放方面取得了明顯的改進。在這種燃燒方式中，在到達火焰鋒之前，天然氣與助燃空氣預混合。天然氣和空氣的貧燃料混合物在低于常規擴散火焰燃燒室的溫度下燃燒，從而使廢氣流中污染物(包括氮的氧化物(NOX))含量較低。舉例來說，擴散火焰燃燒室的最大可允許NOX水平通常為42ppm@15％O2，而貧燃料預混燃燒燃氣輪機發動機的最大可允許NOX水平目前通常為15ppm@15％O2。擴散火焰燃燒室的42ppm NOX水平通常僅能通過將大量水汽或水加到燃燒室中以降低火焰溫度來實現。
已嘗試將貧燃料預混合燃燒裝置用于燃燒代用的高級碳氫化合物液體燃料(如油類和柴油機燃料)和高級碳氫化合物燃料氣(如丙烷(C3)和丁烷(C4))。本文中，“高級碳氫化合物燃料”指其中燃料中至少50重量％的碳氫化合物分子具有至少兩個碳原子的燃料。不幸的是，當使用代用燃料時，這些燃燒裝置難以在貧燃料預混合預氣化(LPP)燃燒方式下操作。為使用液體燃料或液化氣產生貧燃料預混合預氣化火焰(本文中，術語“液體燃料”應被理解成包括通常在室溫和大氣壓力下是液態的燃料，及經冷卻和/或加壓而液化的氣體)，液體必須首先蒸發進入載氣中(通常是空氣)以產生燃料氣(即燃料蒸汽/空氣混合物)，然后在到達火焰鋒之前與另外的助燃空氣混合。然而，使用這種汽化液體燃料/液化氣和空氣混合物可能會發生被稱為自動點火(auto-ignition)的現象。自動點火是在燃燒裝置中預定火焰位置之前的燃料自發點火。在將所述燃料送入燃燒裝置時，例如由于燃料通常、提前或其它受熱就會導致提前點火的發生。自動點火使燃燒裝置的效率下降并使其損壞，從而縮短燃燒裝置的使用壽命和/或會增加不想要的排放物。
已進行各種嘗試來避免在這種貧燃料預混合燃燒裝置中高級碳氫化合物液體燃料的自動點火，但沒有任何一種嘗試取得全部成功。因此，可以使用天然氣和高級碳氫化合物液體燃料的“雙燃料”燃燒裝置，例如燃氣輪機發動機，通常當使用天然氣時以貧燃料預混合方式運行，當使用高級碳氫化合物液體燃料時以擴散方式運行。以擴散方式燃燒液體燃料是不理想的，因為與以貧燃料預混合方式燃燒的天然氣相比，這會增加NOX和其它排放物。
近來，另一個日益重要的問題與液化天然氣的使用相關。最近由于家用天然氣供應不足，使液化天然氣更為常用。當運輸液化天然氣時，通常是通過油輪(tanker)，高級碳氫化合物氣體具有較高的沸點。當液體天然氣被再汽化用作氣態燃料時，在從貯存容器中取出的液化天然氣的最后部分中含有較高百分比的高級碳氫化合物燃料。由于上述自動點火問題，這部分液化天然氣不能用于許多現有的貧燃料預混合天然氣燃燒室中。
與使用天然氣的燃燒裝置相似的燃燒裝置也被用于鍋爐、焚化爐和渦輪發動機及其它燃燒發動機中，其包括發電外的應用，如用于軍艦推進。在軍艦用渦輪發動機的使用中遇到的問題包括需要較大的空間以容納常規壓縮氣體燃料和由于在常規渦輪發動機中使用代用液體燃料而產生的大量排放物。這些排放物會破壞環境，并帶來危險，例如，產生的可視性排放物會暴露艦艇的位置。
因此仍然需要開發新型的燃燒裝置(如渦輪發動機等)，其采用貧燃料預混預蒸發方式，既能燃燒天然氣又能燃燒高級碳氫化合物液體燃料。對于包括發電在內的多種應用，這種燃燒裝置令人滿意的雙燃料選擇使其在成本控制和燃料選擇上具有相當的靈活性。
發明概述本發明的實施方案主要通過提供一種機構來解決上述問題及其它問題，所述機構用于從多種液體燃料或液化氣中制備氧含量低于周圍空氣的預汽化燃料氣，這種燃料氣可送入燃燒裝置中作為氣態燃料。在優選實施方案中，這種預汽化燃料氣可用于現有燃燒天然氣的貧燃料預混合燃燒裝置中。這種氣態燃料可用于渦輪發動機、柴油和汽油發動機中，如用于向海軍艦艇、火車頭、飛機和汽車供應能量。本發明也適用于多種其它燃燒裝置，特別適用于對點火控制和/或排放物控制要求較高的燃燒裝置。例如，使用本發明即使在擴散火焰燃燒室中也可降低NOX。通過增加低氧氣流/燃料氣混合物的熱容量可以減少排放物，這是因為加入的惰性氣體可用以降低火焰溫度，從而減少NOX。
在本發明一個實施方案中，惰性氣流或含有氧含量低于周圍空氣的其它氣流被用于汽化液體燃料或液化高級碳氫化合物天然氣，并將所得低氧汽化燃料氣送入燃燒裝置中。通過將燃料與氧濃度適當降低的氣流混合，可以防止或充分延緩汽化燃料的反應，從而避免自動點火。下文說明的高度點火控制及本發明的其它特征可用于降低或控制排放物或燃燒不穩定性。
本領域公知的多種裝置或系統可用于供應惰性氣流，并且多種惰性氣體可用于本發明中。例如，在本發明一個實施方案中，可以由來自預燃器或燃燒裝置下游的污濁的廢氣來提供用于汽化液體燃料或液化氣體的低氧氣流，從而避免自動點火。通過適當地調節這種廢氣流，該廢氣流可用于汽化任何液體燃料或液化氣，所述液體燃料或液化氣一旦經適當處理并與廢氣流混合就可直接送入燃燒裝置作為氣態燃料。在本發明另一個實施方案中，使用空氣分離器單元將低氧氣流供應至液體燃料或液化氣汽化器。
有利的是，這使其成為用于從各種液體燃料或液化氣和壓縮空氣制備預汽化燃料的獨立單元，預汽化燃料一旦經適當處理和混合就可直接供應至適于燃燒天然氣的現有渦輪發動機中。然后，所得混合物以貧燃料預混合方式燃燒，從而提高發動機性能。例如，這種改進可以包括但不限于，改進廢氣排放物和/或提高火焰穩定性，其包括降低燃燒裝置的不穩定性。
用于本發明實施方案中的空氣分離器單元從空氣中分離氧氣和氮氣。空氣分離器的輸出包括兩種氣流，第一種氣流氧氣高、氮氣低(“富氧氣流”)，第二種氣流氧氣低、氮氣高(本實施方案中得到的低氧氣流，及其它實施方案中的其它低氧氣流，被稱為“氧低氣流”(theoxygen-reduced stream)或“低氧氣流”(the reduced oxygen stream))。在本發明一個實施方案中，空氣分離器使用在本領域中稱作“吸附法”的方法來制備所述氣流。
然后在送入燃燒裝置之前，低氧氣流可以與汽化液體燃料或液化氣體混合。由于汽化燃料需要足量的氧氣以進行燃燒，因此通過將汽化燃料與低氧氣流(如混有低水平的氧氣和適合水平的非可燃性氮氣)混合，可以防止或充分延緩汽化燃料的燃燒，從而避免自動點火。然后，將燃料和低氧氣流的混合物用作氣態燃料送入燃燒裝置中，在此燃料/低氧氣流可與氧源(例如，進氣)混合而在發動機中燃燒。
在本發明一個實施方案中，空氣分離器使用從渦輪壓縮機供應的壓縮空氣。可選擇地或另外地，空氣分離器可以使用從任何壓縮空氣源供應的壓縮空氣。
在本發明一個實施方案中，空氣分離器產生的富氧氣流可被供應至燃燒裝置的燃料燃燒區的下游，以減少渦輪發動機的排放物。將富氧氣流供應至燃燒后排放物流中可降低燃燒裝置產生的污染物，例如通過促進廢氣流中未燃燒的燃料和/或一氧化碳的氧化。
在本發明一個實施方案中，空氣分離器產生的富氧氣流可被送入燃燒裝置以拓寬燃燒裝置的使用范圍。
許多液體碳氫化合物燃料適用于本發明。這些液體燃料或液化氣包括但不限于柴油機燃料、#2燃料油、汽油、高級碳氫化合物含量提高的液化天然氣、其它液化氣(包括液化C2、C3、C4、C5等和易燃性液體廢物流(如制造過程中得到的廢物流)。
在本發明一個實施方案中，通過混合適當比例的低氧氣流，可以控制以燃料氣流質量或體積計的熱值。這方便了燃料氣例如通過現有天然氣燃料系統向燃燒裝置的供應。
本領域所屬技術人員通過考查下面的說明書或實施本發明，將更加明白本發明的其它優點和新特征。
圖1(a)是本發明實施方案的方塊圖；
圖1(b)和圖1(c)是適用于圖1(a)實施方案的不同類型燃燒室的方塊圖；圖2是流程圖，表明根據本發明實施方案的使用液體燃料或液化氣和燃燒裝置的方法；圖3是根據本發明實施方案的配有液體燃料或液化氣燃燒裝置的燃氣輪機發動機的方塊圖；圖4是流程圖，表明根據本發明實施方案的使用液體燃料或液化氣及燃氣輪機發動機的方法；圖5(a)是根據本發明實施方案的配有液體燃料或液化氣燃燒裝置的燃氣輪機發動機的方塊圖；圖5(b)、(c)、(d)和(e)是圖5(a)的燃氣輪機發動機的各種燃燒室結構的方塊圖；及圖6是流程圖，表明根據本發明實施方案的使用液體燃料或液化氣及燃氣輪機發動機的方法。
發明詳述結合優選的燃燒系統實施方案討論本發明。列出具體細節，如燃料類型和氣流的氧含量，是為了更徹底地理解本發明。本文討論的優選實施方案不應被理解成限制本發明。此外，為容易理解，某些處理步驟分成幾步；然而，這些步驟不應被解釋為截然分開或與其性能相關。
本文中，“汽化”應被理解成不同于“氣化”。氣化是指如下過程通過使非氣態燃料(如煤)與周圍空氣或富氧氣流部分反應(例如燃燒)，而將非氣態燃料轉化成氣態燃料的過程。相反，由于存在相對于周圍空氣而言氧含量降低的氣流，所以在本發明的汽化過程中液體燃料的反應基本上受到抑制。
本發明被認為特別適用于貧燃料預混預蒸發燃燒裝置，因此主要結合這一點進行討論。然而，本發明不應理解成受到這種限制。例如，本發明也可用于RQL(富燃料燃燒-快速淬熄-貧燃料燃燒(rich-quench-lean))燃燒裝置、部分預混合燃燒裝置或擴散火焰燃燒裝置。
圖1(a)是本發明一個實施方案的燃燒系統的方塊圖，其包括常用燃燒室5(本文中也被稱為“燃燒裝置”)，用作燃燒液體燃料或液化氣的燃燒器，例如但不限于，渦輪發動機或火花點火或壓縮點火發動機。如圖1(a)所示，液體燃料/液化氣體汽化單元1與燃燒室5連接。低氧汽化燃料流8從汽化單元1供應至燃燒室5。含氧氣流9也供應至燃燒室5，如空氣源。在一個實施方案中，燃燒室5具有適當混合汽化燃料流8與含氧氣流9的作用。
汽化單元1包括低氧氣流源2、液體燃料/液化氣體源3(本文中也稱作“液體燃料”和/或“液化燃料”)和汽化器單元4。所述液體燃料/液化氣體汽化單元4混合并汽化分別來自所述液體燃料/液化氣體源3和所述低氧氣流源2的供應流6和7。多種不同方法可被用于汽化所述液體燃料流6和低氧氣流2。混合和汽化的順序并不重要。在某些實施方案中，混合和汽化同時發生，如當低氧氣流被預熱至足以汽化液體燃料的溫度時。在其它實施方案中，在與所述低氧氣流7混合之前，所述液體燃料流6被部分或完全汽化，例如，通過加熱液體燃料。在某些實施方案中，在混合和汽化之前所述低氧氣流7被加壓和/或加熱。然后，通過與低氧氣流混合而能避免自動點火的汽化燃料流8被送入燃燒室5，用于在燃燒過程中使用。
在某些實施方案中，汽化燃料流8的溫度需足夠高，以使在輸送至燃燒室5的過程中，汽化燃料流8保持在露點以上。在另外的實施方案中，如果汽化燃料流8在到達燃燒室5之前所必須經過的距離足夠短，從而沒有足夠時間發生明顯冷凝，那么汽化燃料流8的溫度可以降至低于露點。在其它實施方案中，在汽化器4和燃燒室5之間加熱汽化燃料流8。
所述低氧氣流源2產生氧含量相對于周圍空氣降低的氣流，通常含有約21％的O2。在本發明的某些實施方案中，低氧氣流的氧含量低于極限氧指數。極限氧指數(LOI)是局部環境中的氧濃度，低于該濃度材料不支持燃燒，并隨液體燃料不同而變化。LOI通常約為10％～14％，對于多種高級碳氫化合物燃料而言約為13％。氣流源2的氧含量降低越大，自動點火受到的抑制越大。然而，需要更多功(即能量)來制備低氧含量的氣流。這種作功將降低系統的總效率。因此，在某些實施方案中，氣流源2的氧含量低至剛好足以抑制自動點火所需的量，可以是高于或低于LOI。在本發明其它實施方案中，所述低氧氣流源2不含氧。在一些實施方案中，低氧氣流源2供應的氣體是惰性的；在其它實施方案中，來自氣流源2的氣體含有碳氫化合物(例如甲烷和/或高級碳氫化合物)。
足以抑制自動點火所需的氣流源2中的氧含量降低量取決于特定應用，特別是取決于如下因素如燃料質量、混合/汽化過程、汽化氣流到達燃燒室所經過的距離、汽化氣流當其離開汽化器時的熱度、在燃燒之前低氧氣流/燃料混合物在燃燒室中的熱度、在燃燒室中從預混合區到燃燒區的距離。
如上所述，圖1(a)的燃燒室5可以是圖1(b)所示的預混合燃燒室。預混合燃燒室通常包括預混合區5b-1、主燃燒區5b-2、中間區5b-3和稀釋區5b-4。在預混合燃燒室中，低氧汽化燃料氣流8被供應至預混合區5b-1，并在那里與含氧氣流9a(例如，空氣)預混合。含氧氣流9a通常供應至其它區5b-2、5b-3、5b-4中的一些或全部中。在RQL燃燒裝置中，低氧汽化燃料氣流8被供應至中間區5b-3。可選擇地，圖1(a)的燃燒室5可以是圖1(c)所示的擴散燃燒室，其包括主燃燒區5c-1，中間區5c-2和稀釋區5c-3。在常用擴散燃燒室中，低氧汽化燃料氣流8被供應至主燃燒區5c-1，并在那里在含氧氣流9a存在下燃燒。
圖2是根據本發明一個實施方案的液體燃料/低氧氣體汽化系統的操作方法流程圖。在步驟10中，低氧氣流和來自液體燃料源的燃料流都被供應至液體燃料汽化單元。在步驟11中，液體燃料汽化單元混合并汽化供應流。汽化能量可由低氧氣流或其它能源供應。然后在步驟12中，通過與所述低氧氣流混合而能避免自動點火的汽化燃料流被供應至燃燒室。在步驟13中，所述燃燒室使用制得的液體燃料/低氧氣流和氧源來產生可燃燒的混合物。
本發明燃燒系統的另一個實施方案如圖3所示。圖3的燃燒系統包括常規燃氣輪機發動機14，其包括空氣壓縮機15(與助燃空氣源相連，圖3未示)、燃燒室5(如上所述，其可以是預混合或擴散燃燒室)、渦輪16和用于釋放排放物的通道17。該渦輪發動機14可與任何裝置連接，例如，與發電機18或其它輸出連接，如海軍艦艇螺旋槳。在此實施方案中，來自通道17的部分廢氣流20被用于將低氧氣流供應至液體燃料/液化氣體汽化單元21。所述液體燃料/液化氣體汽化單元21與常規燃氣輪機發動機14連接。該汽化單元21包括用于加壓所述通道廢氣流20的壓縮機19、燃料汽化器4及液體燃料/液化氣體源3，其可以包括在所述單元21中或可選擇地不包括在單元21內而是與其相連。
圖4是根據本發明實施方案的與渦輪一起使用的液體燃料/低氧氣體汽化系統的操作方法流程圖。在步驟25中，低氧含量的渦輪廢氣流被供應至壓縮機。在步驟26中，所述壓縮機加壓燃氣輪機發動機廢氣流。在步驟27中，壓縮機輸出的低氧氣流和液體燃料流被供應至液體燃料汽化器。在步驟28中，將所述壓縮機輸出物與所述液體燃料流混合，以汽化所述液體燃料。然后在步驟29中，將低氧的汽化液體燃料流供應至燃氣輪機發動機的燃燒室。
在某些優選實施方案中，所述渦輪發動機14是使用天然氣的現有貧燃料預混合裝置，所述液體燃料3是高級碳氫化合物液體燃料。除了上述自動點火問題外，第二個問題是由于在使用天然氣的燃燒裝置中使用高級碳氫化合物燃料引起的，由于高級碳氫化合物燃料比天然氣具有更高的能量含量，因此使用天然氣的發動機的燃料氣分布和定量系統通常需要改變以使用高級碳氫化合物燃料氣。然而，在優選實施方案中，氣體汽化單元21被用于將低氧汽化燃料氣供應至渦輪發動機14，因此不需要改變發動機14的燃料氣分布系統。這可通過將汽化燃料與一定量的低氧氣體混合，使得來自汽化器4的低氧汽化燃料氣的能量含量與天然氣的能量含量相當來實現。根據發動機14所用的燃料定量方法，所述能量含量可以體積或質量計。在其它實施方案中，低氧燃料氣的能量含量高于或低于天然氣，燃料分布系統被構造成用于燃燒這種能量含量較高或較低的氣體。
舉例來說，燃料氣的熱值約與氣體分子中的碳原子數成比例。因此，戊烷(C5H12)的熱值約為天然氣主要成分甲烷(CH4)的5倍。如果在圖3系統中使用液化戊烷作為液體燃料，則需要構造汽化器4以輸出以體積計包括一份汽化的戊烷氣體和四份低氧氣體的燃料氣流，以便用于配有定量甲烷的燃料氣分布系統的發動機14。
圖5a所示為本發明燃燒系統的另一個實施方案，其包括燃氣輪機發動機14，該燃氣輪機發動機包括壓縮機15、燃燒室5、渦輪16和用于釋放排放物的通道17。渦輪16可與發電機18或任何其它裝置連接，如海軍艦艇螺旋槳。本發明一個實施方案的液體燃料/液化氣體汽化單元31與燃氣輪機發動機14連接。在圖5a所示的實施方案中，單元31包括空氣分離器32、輔助壓縮機33、第二壓縮機34、燃料汽化器4和液體燃料/液化氣體源3，其可以包括在單元31中或可選地不包括在單元31內而是與其相連。
所述空氣分離器32從發動機14的壓縮機15吸入壓縮空氣流(或其它來源的壓縮空氣流)，輸出富氧氣流41和低氧氣流42，后者通常相對空氣而言含有大量氮氣。各種空氣分離器在本領域中是公知的。在某些實施方案中，空氣分離單元使用被稱為吸附的方法來制備富氧氣流41和低氧氣流42。在此實施方案中，空氣流可被壓縮至3個大氣壓以利于分離。
在圖5a的實施方案中，壓縮富氧氣流41，將壓縮的富氧氣流43注入燃燒室5。所述低氧氣流42被供應至輔助壓縮機33，在那里加壓。然后，所得到的壓縮的低氧氣流45被供應至液體燃料/液化氣體汽化單元4。所述液體燃料/液化氣體汽化單元4將來自所述液體燃料/液化氣體源3的液體燃料/液化氣體物料6與壓縮的低氧氣流45在高溫下混合，以汽化液體燃料/液化氣。所述壓縮的低氧氣流45和氣體物料6的混合比取決于液體燃料3和發動機14的結構。如上所述，可以選擇所述混合比將高級碳氫化合物液體燃料3用于燃燒天然氣的發動機14，而不改變發動機14的燃料分布系統。然后，將汽化燃料/低氧氣流8供應至燃燒室5。
圖6是根據本發明實施方案的用于渦輪的液體燃料/低氧氣體汽化系統的操作方法流程圖。如圖6所示，在步驟51中，在合適的階段中/合適的壓力下從燃氣輪機發動機的空氣壓縮機中抽出壓縮空氣，用于空氣分離單元中。在步驟52中，空氣分離單元吸入壓縮空氣流，并產生富氧氣流和低氧氣流。在一個實施方案中，在步驟53中富氧氣流被供應至第一輔助壓縮機，在步驟54中第一輔助壓縮機加壓富氧氣流，然后在步驟55中加壓的富氧氣流被注入燃燒室。在某些實施方案中，將富氧燃料流注入燃燒室5的火焰鋒下游(例如，燃燒室(如圖5(b)和5(c)中所示的預混合燃燒室)的中間區或稀釋區，或擴散燃燒室)，以降低發動機14產生的污染物量。在其它實施方案中，富氧燃料流與來自壓縮機15的助燃空氣混合，所述助燃空氣被供應至如圖5(d)(預混合燃燒室)和圖5(e)(擴散燃燒室)所示的燃燒室5的主燃燒區中。這拓寬了燃燒室的操作范圍，使燃燒可在低當量比下進行(即貧燃料燃燒)，從而降低污染物如NOX的排放。在其它實施方案中，富氧燃料流與來自壓縮機15的空氣簡單混合，并供應至燃燒室的所有區中。
在步驟56中，來自空氣分離單元的低氧氣流被供應至第二輔助壓縮機，在步驟57中，第二輔助壓縮機加壓所述低氧氣流。然后在步驟58中，將所得到的壓縮低氧氣流和來自液體燃料源的液體燃料/液化氣流供應至液體燃料汽化單元。在步驟59中，所述液體燃料汽化單元將供應的液體燃料/液化氣流和所述壓縮的低氧氣流在高溫下混合，以汽化液體燃料/液化氣體。在本發明一個實施方案中，調節低氧氣流和液體燃料/液化氣體的混合程度，以適應各種液體燃料/液化氣的比熱值和/或質量或體積流速規格。然后在步驟60中，例如通過現有的渦輪用天然氣燃料系統，將汽化燃料/低氧流供應至燃燒室。
如上所述，本發明的某些實施方案可以從液體燃料制備低氧燃料氣流，其可被供應至用于燃燒其它燃料如天然氣的現有燃燒裝置如燃氣輪機發動機中，而不用改變現有燃燒裝置。這可通過將燃料氣與惰性低氧氣流混合以保持燃料氣的能量含量等于天然氣的能量含量來實現，根據燃燒裝置所用的定量方法，所述能量含量以體積或質量計。在大部分現有燃燒裝置中，可以控制燃料氣/助燃空氣比，以使混合物更貧燃料(lean)或少貧燃料。本發明其它優點在于，在相同條件下(即相同溫度、相同助燃空氣(或其它含氧氣體)供應等)，在當量比比甲烷的當量比更低(更貧燃料)時，多種低氧的汽化高級碳氫化合物燃料可以燃燒。例如，甲烷在空氣中的最小當量比通常約為0.5，而多種高級碳氫化合物燃料當在空氣中的當量比約為0.45時可以燃燒。使用低當量比可降低污染物如NOX的排放。如上所述，在其中通過將來自空氣分離器的富氧氣流加到助燃空氣流中來拓寬操作范圍的實施方案中，燃燒裝置的操作當量比可以更低。
在本發明其它實施方案中，可以制備能量含量比天然氣更高或更低的低氧燃料氣。在此實施方案中，如果使用用于燃燒天然氣的燃燒裝置，那么燃燒裝置的燃料分布/定量系統需要適當變化。
現在已結合上述優點說明了本發明實施例。可以理解，這些實施例僅是說明本發明。本領域所屬技術人員顯然可以做出多種修改和變化。
權利要求
1.一種操作燃燒裝置的方法，該方法包括如下步驟使用包含碳氫化合物分子的液體燃料和氧含量低于周圍空氣的第一氣流制備燃料氣；預混合所述燃料氣和第二氣體，以在燃燒裝置的燃燒區的上游位置制備氣體混合物，所述第二氣體包括氧；和在所述燃燒裝置的燃燒區中燃燒所述氣體混合物，從而使所述燃燒區上游的氣體混合物的自動點火基本上受到抑制。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的含氧量足以支持所述氣體混合物的燃燒。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物是當量比小于1的貧燃料混合物。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料中至少50重量％的碳氫化合物分子具有至少兩個碳原子。
5.如權利要求1所述的方法，其中所述第一氣流的氧含量低于所述液體燃料的極限氧指數。
6.如權利要求1所述的方法，其中所述燃燒裝置包括用于天然氣的燃料定量系統。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述第一氣流由空氣分離器供應。
8.如權利要求7所述的方法，其中所述空氣分離器通過吸附來制備所述第一氣流。
9.如權利要求7所述的方法，其還包括將來自所述空氣分離器的富氧氣流供應至所述燃燒裝置的步驟。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述富氧氣流被供應至所述燃燒裝置的燃燒區下游。
11.如權利要求9所述的方法，其中在預混合步驟中混合所述富氧氣流和所述低氧燃料氣。
12.如權利要求1所述的方法，其中所述低氧氣流來自預燃器的廢氣。
13.如權利要求1所述的方法，其中所述低氧氣流來自所述燃燒裝置的廢氣。
14.如權利要求1所述的方法，其中所述氣體混合物的當量比低于在相同操作條件下甲烷可以燃燒的最小當量比。
15.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是柴油機燃料。
16.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是燃料油。
17.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是丁烷。
18.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是丙烷。
19.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是戊烷。
20.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是汽油。
21.如權利要求1所述的方法，其中所述液體燃料是易燃性液體廢物。
22.如權利要求1所述的方法，其中所述燃燒裝置是燃氣輪機發動機。
23.一種以貧燃料預混合方式操作用于燃燒天然氣的燃燒裝置的方法，該方法包括如下步驟使用氧含量低于周圍空氣的氣流來汽化高級碳氫化合物液體燃料，以制備低氧燃料氣；預混合所述低氧燃料氣和第二氣體，以在燃燒裝置的燃燒區上游形成氣體混合物，所述氣體混合物的含氧量足以支持所述氣體混合物的燃燒，所述氣體混合物的當量比小于1，所述燃燒裝置經設計用于燃燒天然氣；及在所述燃燒裝置的燃燒區中燃燒所述氣體混合物，從而使所述燃燒區上游的氣體混合物的自動點火基本上受到抑制。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述氣流源于所述燃燒裝置的廢氣流。
25.如權利要求23所述的方法，其中所述氣流由空氣分離器單元供應。
26.如權利要求23所述的方法，其中將來自所述空氣分離器單元的富氧氣流送入所述燃燒裝置。
27.一種燃燒系統，其包括燃燒裝置，該燃燒裝置包括接收汽化燃料的進口、燃燒區和位于該燃燒區上游的預混合區，所述燃燒裝置經設計以在預混合區中混合所述汽化燃料和含氧氣流，以制備適于在所述燃燒區中燃燒的混合物；和與所述燃燒裝置的進口連接的燃料汽化單元，該燃料汽化單元通過所述進口將低氧汽化燃料氣流供應至所述燃燒裝置，所述燃料汽化單元包括燃料汽化器，其包括可與液體燃料源相連的第一進口和可與低氧氣流相連的第二進口。
28.如權利要求27所述的系統，其中所述燃燒裝置經設計以用于在小于1的當量比下燃燒低氧汽化燃料氣。
29.如權利要求27所述的系統，其中在來自所述液體燃料源的液體燃料中至少50重量％的碳氫化合物分子具有至少兩個碳原子。
30.如權利要求27所述的系統，其中所述低氧氣流的氧含量低于所述液體燃料的極限氧指數。
31.如權利要求27所述的系統，其中所述燃燒裝置包括用于天然氣的燃料定量系統。
32.如權利要求27所述的系統，其中所述燃料汽化單元還包括空氣分離單元，所述空氣分離單元經設計以在第一出口制備低氧氣流，該第一出口與所述燃料汽化器的第二進口相連。
33.如權利要求32所述的系統，其中所述空氣分離器通過吸附制備所述低氧氣流。
34.如權利要求32所述的系統，其中所述空氣分離單元還經設計以用于在第二出口制備富氧氣流，所述第二出口與所述燃燒裝置相連。
35.如權利要求34所述的系統，其中連接所述第二出口，以將所述富氧氣流供應至所述燃燒裝置的燃燒區下游。
36.如權利要求34所述的系統，其中連接所述第二出口，以將所述富氧氣流供應至所述燃燒裝置的預混合區。
37.如權利要求27所述的系統，其中所述低氧氣流來自所述燃燒裝置輸出的廢氣流。
38.如權利要求27所述的系統，其中所述燃燒裝置經設計以混合所述汽化燃料和所述含氧氣流，以使得所得混合物的當量比低于在相同操作條件下甲烷可以燃燒的最小當量比。
39.如權利要求27所述的系統，其中所述液體燃料是液化氣體，該液化氣體是在室溫和大氣壓力下為氣態的組合物。
40.如權利要求27所述的系統，其中所述液體燃料是選自柴油機燃料、燃料油、液化丁烷、液化丙烷、液化戊烷、汽油和易燃性液體廢物的燃料。
41.如權利要求27所述的系統，其中所述燃燒裝置是燃氣輪機發動機。
42.如權利要求27所述的系統，其中所述燃燒裝置是富燃料燃燒-快速淬熄-貧燃料燃燒裝置。
43.一種制備防自動點火的氣態燃料流的方法，其包括將汽化液體燃料與氧含量小于周圍空氣的低氧氣流混合的步驟。
44.如權利要求43所述的方法，其中所述低氧氣流的氧含量低于所述汽化液體燃料的極限氧指數。
45.如權利要求43所述的方法，其中混合所述汽化液體燃料和所述低氧氣流，使得所得氣態燃料流的能量含量約等于天然氣的能量含量。
46.如權利要求45所述的方法，其中以體積計所述氣態燃料流的能量含量約等于天然氣的能量含量。
47.如權利要求45所述的方法，其中以質量計所述氣態燃料流的能量含量約等于天然氣的能量含量。
48.一種制備防自動點火的氣態燃料流的方法，其包括使用氧含量小于周圍空氣的低氧氣流來汽化液體燃料的步驟。
49.如權利要求48所述的方法，其中所述低氧氣流的氧含量低于相應于所述液體燃料的極限氧指數。
50.如權利要求48所述的方法，其中混合所述液體燃料和所述低氧氣流，以使得所述氣態燃料流的能量含量約等于天然氣的能量含量。
51.如權利要求48所述的方法，其中以體積計所述氣態燃料流的能量含量約等于天然氣的能量含量。
52.如權利要求48所述的方法，其中以質量計所述氣態燃料流的能量含量約等于天然氣的能量含量。
53.一種燃料汽化單元，其包括燃料汽化器；與該燃料汽化器連接的液化燃料源，用于提供液化燃料流；及與所述燃料汽化器連接的低氧氣體源，用于提供低氧氣體流；其中所述燃料汽化器由所述液化燃料和所述低氧氣體來制備汽化燃料。
54.如權利要求53所述的燃料汽化單元，其中所述燃料汽化器與用于接收所制備的汽化燃料的燃燒室連接。
55.如權利要求54所述的汽化單元，其中所述燃燒室與含氧氣體源連接，以接收含氧氣體流。
56.如權利要求55所述的燃料汽化單元，其中在所述燃燒室中混合并燃燒所述含氧氣體和所述汽化燃料。
57.如權利要求53所述的燃料汽化單元，其中所述低氧氣體源包括空氣壓縮機。
58.如權利要求57所述的燃料汽化單元，其中所述空氣壓縮機從廢氣流接收料流。
59.如權利要求58所述的燃料汽化單元，其中所述燃料汽化器與發動機相連。
60.如權利要求59所述的燃料汽化單元，其中所述發動機包括渦輪。
61.如權利要求59所述的燃料汽化單元，其中所述發動機選自壓縮點火發動機和火花點火發動機。
62.如權利要求59所述的燃料汽化單元，其中所述發動機含有用于產生所述廢氣流的廢氣。
63.如權利要求59所述的燃料汽化單元，其中所述發動機包括燃燒室。
64.如權利要求63所述的燃料汽化單元，其中所述燃料汽化器與所述發動機的燃燒室相連。
65.如權利要求59所述的燃料汽化單元，其中所述發動機與輸出裝置相連。
66.如權利要求65所述的燃料汽化單元，其中所述輸出裝置選自發電機、推進器和螺旋槳。
67.一種燃料汽化單元，其包括燃料汽化器；與該燃料汽化器連接的液化燃料源，用于提供液化燃料流；及空氣分離器，其包括低氧氣體流出口，該低氧氣體流出口與所述燃料汽化器相連；其中所述燃料汽化器由所述液化燃料和所述低氧氣體流來制備汽化燃料。
68.如權利要求67所述的燃料汽化單元，其中所述空氣分離器通過第一壓縮機與所述燃料汽化器相連。
69.如權利要求68所述的燃料汽化單元，其中所述第一壓縮機壓縮所述低氧氣體流。
70.如權利要求67所述的燃料汽化單元，其中來自所述燃料汽化器的汽化燃料被供應至發動機。
71.如權利要求70所述的燃料混合裝置，其中所述發動機選自壓縮點火發動機和火花點火發動機。
72.如權利要求67所述的燃料汽化單元，其中所述空氣分離器具有富氧氣流輸出。
73.如權利要求72所述的燃料汽化單元，其中來自所述燃料汽化器的汽化燃料被供應至燃燒室。
74.如權利要求73所述的燃料汽化單元，其中所述空氣分離器的富氧氣流輸出被送入所述燃燒室。
75.如權利要求73所述的燃料汽化單元，其中所述空氣分離器的富氧氣流輸出通過第二壓縮機送入所述燃燒室。
76.如權利要求73所述的燃料汽化單元，其中所述燃燒室產生供應至渦輪的燃燒輸出。
77.如權利要求76所述的燃料汽化單元，其中所述渦輪驅動壓縮機。
78.如權利要求77所述的燃料汽化單元，其中所述壓縮機具有壓縮氣體輸出，所述壓縮氣體輸出被供應至所述空氣分離器。
79.如權利要求78所述的燃料汽化單元，其中所述壓縮機壓縮空氣。
80.如權利要求75所述的燃料汽化單元，其中從該壓縮機的中間階段抽取壓縮空氣并將其送入所述空氣分離器。
81.一種制備汽化燃料的方法，該方法包括將低氧氣流供應至燃料汽化器；將液體燃料供應至所述燃料汽化器；用所述汽化器單元汽化所述液體燃料；及用所述汽化器單元混合所述低氧氣流和汽化液體燃料。
82.如權利要求81所述的方法，其中所述混合的低氧氣體和汽化燃料被供應至發動機。
83.如權利要求81所述的方法，其中所述混合的低氧氣體和汽化燃料被供應至燃燒室。
84.如權利要求83所述的方法，其中所述燃燒室接收含氧氣流，其中所述燃燒室混合并燃燒所述含氧氣流與所述混合的低氧氣體和汽化燃料。
85.如權利要求81所述的方法，其中所述低氧氣流包括廢氣。
86.如權利要求85所述的方法，其中所述廢氣由發動機產生。
87.如權利要求86所述的方法，其中所述發動機選自火花點火發動機和壓縮點火發動機。
88.如權利要求86所述的方法，其中所述發動機包括燃燒室。
89.如權利要求88所述的方法，其中所述燃燒室產生燃燒輸出，所述燃燒輸出被供應至輸出裝置。
90.如權利要求89所述的方法，其中所述輸出裝置包括渦輪。
91.如權利要求90所述的方法，其中所述渦輪產生所述廢氣。
92.如權利要求81所述的方法，其還包括壓縮所述低氧氣流。
93.如權利要求81所述的方法，其中使用空氣分離器來產生所述低氧氣流。
94.如權利要求93所述的方法，其還包括壓縮所述低氧氣流。
95.如權利要求93所述的方法，其中所述混合的低氧氣體和汽化燃料被供應至發動機。
96.如權利要求95所述的方法，其中所述發動機選自火花點火發動機和壓縮點火發動機。
97.如權利要求95所述的方法，其中所述發動機包括燃燒室。
98.如權利要求95所述的方法，其中所述發動機包括燃氣輪機發動機。
99.如權利要求95所述的方法，其中所述空氣分離器產生富氧氣流。
100.如權利要求99所述的方法，其還包括壓縮所述富氧氣流。
101.如權利要求99所述的方法，其中所制得的富氧氣流被供應至所述發動機。
102.如權利要求101所述的方法，其中所述發動機包括壓縮機，其中所述壓縮機產生壓縮氣體輸出。
103.如權利要求102所述的方法，其中所述壓縮氣體輸出被送入所述空氣分離器。
104.如權利要求102所述的方法，其中從所述壓縮機的中間階段抽取壓縮空氣并將其供應至所述空氣分離器。
105.一種操作燃燒裝置的方法，該方法包括如下步驟使用包含碳氫化合物分子的液體燃料和氧含量低于周圍空氣的氣流制備燃料氣；及在所述燃燒裝置的燃燒區中燃燒所述燃料氣，其中借助所述低氧氣流的熱容來降低火焰溫度，從而減少NOX排放物。
106.如權利要求105所述的方法，其中所述燃燒裝置使用擴散火焰。
107.如權利要求105所述的方法，其中在所述液體燃料中至少50重量％的碳氫化合物分子具有至少兩個碳原子。
108.如權利要求105所述的方法，其中所述低氧氣體的氧含量低于所述液體燃料的極限氧指數。
109.如權利要求105所述的方法，其中所述燃燒裝置包括用于天然氣的燃料定量系統。
110.如權利要求105所述的方法，其中所述低氧氣流由空氣分離器供應。
111.如權利要求110所述的方法，其中所述空氣分離器通過吸附來制備所述低氧氣流。
112.如權利要求110所述的方法，其還包括將來自所述空氣分離器的富氧氣流供應至所述燃燒裝置的步驟。
113.如權利要求112所述的方法，其中所述富氧氣流被供應至所述燃燒裝置的燃燒區下游。
114.如權利要求105所述的方法，其中所述低氧氣流由預燃器供應。
全文摘要
將氧含量低于周圍空氣的氣流用于汽化液體燃料或液化的碳氫化合物氣體，或者與汽化的氣體混合，并將所得低氧汽化燃料氣送入燃燒裝置，如預混合燃燒室或擴散燃燒室。優選所述氣流的氧含量小于極限氧指數。通過將所述燃料與氧含量適當降低的氣流混合，可以避免在火焰鋒之前的自動點火。在某些實施方案中，所述低氧氣流從空氣分離器中產生或從所述燃燒裝置的廢氣中產生。
文檔編號F23D11/36GK1726371SQ200380105739
公開日2006年1月25日 申請日期2003年10月10日 優先權日2002年10月10日
發明者理查德·J.·羅比, 邁克爾·S.·克拉森, 克里斯托弗·F.·舍梅爾 申請人:燃料科學和工程公司