專利名稱：二甲醚燃料和在干式低no的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生動(dòng)力的方法。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及在渦輪機(jī)的干式低NOx燃燒系統(tǒng)中，使用二甲醚燃料組合物產(chǎn)生動(dòng)力的方法。
相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)述眾所周知，在燃?xì)廨啓C(jī)-燃燒器的燃燒器中使用烴類燃料?？諝夂腿剂弦话慵尤肴紵?，在燃燒室中，在空氣存在下，燃料燃燒產(chǎn)生熱煙氣。然后熱煙氣加入渦輪機(jī)，在渦輪機(jī)中冷卻和膨脹產(chǎn)生動(dòng)力。燃料燃燒產(chǎn)生的副產(chǎn)物一般包括在環(huán)境方面有害的毒物，例如氧化氮和二氧化氮(總稱為NOx)、CO、未燃燒的烴類(例如甲烷和促進(jìn)大氣臭氧形成的揮發(fā)性的有機(jī)物)和包括硫的氧化物(例如SO2和SO3)的其它的氧化物。
影響方法的總效率的許多可變因素是特定的燃料組成、空氣量、燃燒系統(tǒng)的具體類型和工藝條件。除了使方法的總效率最高外，能夠使作為燃料燃燒的副產(chǎn)物所產(chǎn)生的在環(huán)境方面有害的毒物的量減至最小是非常重要的。
在燃料燃燒中，有兩個(gè)NOx排放源。在燃燒器的火焰中大氣氮的固定(稱為熱NOx)是NOx排放的第一個(gè)源。燃料中氮(稱為燃料結(jié)合的氮)的轉(zhuǎn)化是NOx排放的第二個(gè)源。通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇燃料的組成和燃燒后煙氣的處理，可以控制燃料結(jié)合的氮產(chǎn)生的NOx量。產(chǎn)生的熱NOx的量是燃燒器的火焰溫度和燃料混合物在火焰溫度下所處的時(shí)間數(shù)量的指數(shù)函數(shù)。每一種空氣-燃料混合物都有一特征的火焰溫度，該特征溫度是燃燒器中燃燒的空氣-燃料混合物的空氣與燃料的比率的函數(shù)(以當(dāng)量比表示，Φ)。因此，產(chǎn)生的熱NOx的量是取決于具體空氣-燃料混合物的停留時(shí)間和當(dāng)量比。當(dāng)量比(Φ)按下式比率定義
Φ=(mf/mo)實(shí)際/(mf/mo)化學(xué)計(jì)量式中mo是氧化劑的質(zhì)量，mf是燃料的質(zhì)量。
當(dāng)火焰溫度是等于化學(xué)計(jì)量的絕熱的火焰溫度時(shí)，在當(dāng)量比為1.0下產(chǎn)生NOx的速率是最高的。在化學(xué)計(jì)量的情況下，燃料和氧氣完全消耗。通常，NOx產(chǎn)生的速率隨當(dāng)量比的減少而減少(即當(dāng)量比小于1.0和空氣-燃料混合物是貧燃料)。在當(dāng)量比小于1.0下空氣多，因此有比化學(xué)計(jì)量燃燒所要求多的氧可利用，這就產(chǎn)生了低火焰溫度，減少了產(chǎn)生的NOx量。但是，由于當(dāng)量比的降低，空氣-燃料混合物變成很貧的燃料，火焰將燃燒不好，或變成不穩(wěn)定和吹滅。當(dāng)當(dāng)量比大于1.0時(shí)，燃料相對(duì)于可用于燃燒的氧過(guò)剩(富燃料混合物)。這也產(chǎn)生低于絕熱火焰溫度的火焰溫度，又導(dǎo)至NOx形成的顯著降低。
為了適應(yīng)貧燃料混合物和避免不穩(wěn)定火焰的存在和火焰吹滅的可能性，已經(jīng)開發(fā)出了一些燃燒器，在這些燃燒器中，在低負(fù)荷時(shí)僅允許一部分火焰區(qū)空氣與燃料混合。這些燃燒系統(tǒng)在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)被稱為“干式低NOx燃燒器”(下文縮寫為“DLN”)系統(tǒng)，例如是由GeneralElectric Company和Westinghouse制造的燃燒器系統(tǒng)。除了給用戶提供上述的可操作性效益外，DLN系統(tǒng)也使產(chǎn)生的NOx、CO和其它的污染物減至最少。
DLN燃燒器一般稱為分段型燃燒器，在開始運(yùn)行期間，或在低負(fù)荷時(shí)，在燃燒器的火焰區(qū)的一部分中，空氣與燃料混合。有兩種分段型的燃燒器燃料分段型和空氣分段型。在它們的最簡(jiǎn)單構(gòu)型中，燃料分段型燃燒器有兩個(gè)火焰區(qū)，每一區(qū)都接收燃燒器空氣流的一不變的部分。在兩區(qū)之間，燃料流按這樣的方式劃分，即在各操作模式下，加入一個(gè)段的燃料量與該段可利用的空氣量相匹配。反之，空氣分段式燃燒器使用一驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，在低負(fù)荷時(shí)，把燃燒器的一部分空氣流從火焰區(qū)推到擴(kuò)散區(qū)，以提高負(fù)荷。這兩種分段類型的燃燒器可以組合成一單一的系統(tǒng)。
DLN系統(tǒng)一般以四種不同的方式操作第一種方式、貧-貧方式、第二種方式和預(yù)混合方式。在“第一種”操作方式中，燃料加入系統(tǒng)第一段的第一噴咀?；鹧?在第一種模式中稱為“擴(kuò)散火焰”)只在第一段中存在。在這種模式中，火焰趨向于定位在局部空氣-燃料混合物基本上是1∶1的位置，因此在反應(yīng)中，氧完全消耗(如上所述，化學(xué)計(jì)量混合物)。甚至在火焰區(qū)中總空氣-燃料比是貧燃料(Φ＜1.0)的情況下也是如此。這種操作模式通常用于點(diǎn)火、促進(jìn)燃燒和在低-中等負(fù)荷(例如使用天然氣時(shí)，0％-20％負(fù)荷)操作機(jī)器，直達(dá)預(yù)定燃燒的參考溫度。在這種模式中產(chǎn)生的NOx和CO排放物相當(dāng)高。NOx的排放量是由火焰中的峰值溫度推動(dòng)，而化學(xué)計(jì)量混合物將在一定的燃燒條件下可能產(chǎn)生最熱的火焰。
在“貧-貧”模式中，燃料加入第一和第二噴咀?；鹧嬖诘谝缓偷诙味即嬖?。這種操作模式，在兩個(gè)預(yù)定的燃燒溫度之間，通常使用中等負(fù)荷(例如，使用天然氣時(shí)，20％-50％負(fù)荷)，因此NOx排放量也相當(dāng)高。
在“第二”模式中，燃料只加入第二噴咀，火焰只在第二段中存在，這種模式是“貧-貧”和“預(yù)混合”模式之間的典型的過(guò)渡模式。第二模式要求在任何燃料加入變成第一預(yù)混合區(qū)前，熄滅第一段中的火焰。
第四種操作模式稱為(預(yù)混合)模式。燃料加入第一和第二噴咀，但是火焰只在第二段中存在。只有20％左右的燃料加入第二噴咀，而平衡量的燃料和“預(yù)混合”的空氣在燃燒前加入第一噴咀。第一段用作燃料與空氣完全混合，并把均勻貧的未燃燒的空氣-燃料混合物輸送到第二段。如果適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)和操作，就不應(yīng)當(dāng)有化學(xué)計(jì)量或近化學(xué)計(jì)量的空氣-燃料混合物進(jìn)入火焰區(qū)，因此，火焰的溫度將比絕熱火焰的溫度低，比在空氣-燃料混合物以相同比率存在時(shí)燃燒的擴(kuò)散火焰產(chǎn)生的NOx要少得多。預(yù)混合模式通常認(rèn)為是最有效的操作模式，因?yàn)樵谶@種模式中，NOx的排放減至最少，而產(chǎn)生的能量最多(例如使用天然氣時(shí)，50-100％負(fù)荷)。
為使用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，特別設(shè)計(jì)使用天然氣(大部分是甲烷，和不同數(shù)量的非甲烷化合物)的DLN燃燒器系統(tǒng)。為使用液體石油基的餾分燃料，這些燃燒系統(tǒng)就要求附加的蒸汽噴入以降低NOx和CO的排放。為使用燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，還建議使用其它類型的燃料，例如使用從天然氣、煤或生物物質(zhì)制備的甲醇或二甲醚，這些燃料便于海洋運(yùn)輸和以液體燃料貯存用于峰值功率。例如，Bell等人的美國(guó)專利4,341,069號(hào)(1982年7月27日授權(quán))公開了使用二甲醚與少量甲醇(1.8wt％-6.1wt％)和水(0.6wt％-2.8wt％)混合的混合燃料。配制的這種燃料是在NOx的排放不是嚴(yán)格要求的時(shí)期，在燃燒系統(tǒng)中使用。在傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器(專門設(shè)計(jì)使用天然氣燃料)中使用這些燃料，在擴(kuò)散火模式焰上操作，對(duì)過(guò)去的不嚴(yán)格的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)可能是滿足的，但是，在預(yù)混合模式的DLN系統(tǒng)操作中使用這些燃料可能產(chǎn)生火焰回火和爆炸的嚴(yán)重危險(xiǎn)。在燃料回火期間，火焰在火焰區(qū)通過(guò)空氣-燃料混合物的傳播速度高于在第一混合區(qū)中一定位置處的空氣-燃料混合物的速度。其結(jié)果是，設(shè)計(jì)燃燒傳統(tǒng)天然氣燃料的DLN系統(tǒng)將不能按它們最有效的模式操作，即預(yù)混合模式來(lái)使用二甲醚燃料例如Bell等的專利公開的那些燃料。
所以仍要求提供可以提高DLN燃燒系統(tǒng)效率(例如在負(fù)荷低于50％的預(yù)混合模式操作)的二甲醚基燃料。還要求提供可以在專門設(shè)計(jì)燃燒傳統(tǒng)天然氣燃料的DLN燃燒器中安全地使用的燃料。
發(fā)明概述本發(fā)明的目的是克服上述的一個(gè)或幾個(gè)問(wèn)題。
因此，本發(fā)明提供了含二甲醚的燃料組合物和使用這種組合物產(chǎn)生動(dòng)力的方法。
本發(fā)明的燃料組合物是二甲醚、至少一種醇和供選擇地一種或幾種選自C1-C6的烷烴和水的摻合物。
按照本發(fā)明的方法，本發(fā)明的燃料在燃?xì)廨啓C(jī)的干式低NOx燃燒器與用于燃燒的含氧氣體混合，產(chǎn)生一煙氣，這種煙氣通過(guò)汽輪機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力。
本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員從下述的詳細(xì)說(shuō)明，結(jié)合附圖和附屬的權(quán)利要求書會(huì)更清從楚。


圖1是按照現(xiàn)有技術(shù)的有代表性的DLN燃燒器的操作模式和相應(yīng)的燃燒天然氣燃料的燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的圖解說(shuō)明。
圖2是按照現(xiàn)有技術(shù)的有代表性的DLN燃燒器中，通過(guò)天然氣燃料燃燒產(chǎn)生的NOx和CO的排放物的圖解說(shuō)明。
圖3是用于天然氣燃料和用于按照本發(fā)明的燃料在燃燒器不同的出口溫度時(shí)，有代表性的DLN燃燒器中峰值壓力變化的圖解說(shuō)明。
圖4有代表性的DLN燃燒器操作模式和本發(fā)明的燃料燃燒的相應(yīng)負(fù)荷的圖解說(shuō)明。
圖5是在有代表性的DLN燃燒器中本發(fā)明燃料的燃燒所產(chǎn)生的NOx和CO排放物的圖解說(shuō)明。
圖6是說(shuō)明包括按照本發(fā)明產(chǎn)生動(dòng)力所使用的DLN燃燒器的燃?xì)廨啓C(jī)-燃燒器方法的示意圖。
發(fā)明詳述按照本發(fā)明的方法，按下述方式來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力，即通過(guò)把二甲醚燃料通入一燃?xì)廨啓C(jī)的干式低NOx燃燒器，在用于燃燒的含氧氣體存在下燃燒生成煙氣，然后把該煙氣通入燃?xì)廨啓C(jī)-燃燒器的汽輪機(jī)來(lái)產(chǎn)生動(dòng)力。燃料包括二甲醚、一種醇和供選擇地水和C1-C6烷烴的一種或幾種的混合物。
本發(fā)明的燃料組合物可以在設(shè)計(jì)用于傳統(tǒng)的天然氣燃料的DLN燃燒系統(tǒng)的預(yù)混合操作模式中安全地使用。當(dāng)DLN燃燒器在預(yù)混合模式中使用這種燃料時(shí)，火焰回火和爆炸的危險(xiǎn)大大減少，與此同時(shí)，產(chǎn)生了最少量的NOx排放物。而且，在DLN燃燒器中使用本發(fā)明的燃料，在燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷低至35％時(shí)，能夠以低的NOx/CO排放物安全地進(jìn)行預(yù)混合操作。
本發(fā)明的燃料包括，并優(yōu)選含或主要由15wt％-93wt％二甲醚、7wt％-85wt％至少一種醇和0wt％-50wt％至少一種選至由水和C1-C6烷烴組成組的組分組成。燃料優(yōu)選包括50wt％-93wt％二甲醚、7wt％-50wt％的至少一種醇和0wt％-30wt％的選至由水和C1-C6烷烴組成的組的至少一種組分。該燃料更優(yōu)選包括70wt％-93wt％的二甲醚、7wt％-30wt％的至少一種醇和0wt％-20wt％的選自由水和C1-C6烷烴組成組的至少一種組分。該燃料最優(yōu)選包括在80wt％-93wt％的二甲醚、7wt％-20wt％的甲醇、和0wt％-10wt％選自由水、甲烷、丙烷和液化石油氣組成組的一種組分。
在本發(fā)明的燃料中存在水和一種或幾種醇可有助于原料合成氣轉(zhuǎn)化成DME基燃料。水和醇例如甲醇、乙醇和丙醇可以在轉(zhuǎn)化中生成，并構(gòu)成DME基燃料的一部分。但是并不需要昂貴的單元操作來(lái)制備本發(fā)明燃料，因?yàn)榍叭菀椎卣{(diào)整在DME基燃料中醇類和水的濃度得到本發(fā)明的燃料組合物。也可以添加C1-C6烴類以制得的本發(fā)明的燃料組合物。
在本發(fā)明的方法中，來(lái)自壓縮機(jī)的壓縮空氣在干式低NOx燃燒器中與氣化的燃料混合，在燃燒器中，在空氣存在下，燃料燃燒，產(chǎn)生熱煙氣。然后熱煙氣在汽輪機(jī)中膨脹產(chǎn)生動(dòng)力。
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以預(yù)混合模式在操作的DLN燃燒器中火焰回火的發(fā)生與點(diǎn)火的延遲時(shí)間和在燃燒器的預(yù)混合區(qū)中空氣-燃料混合的的停留時(shí)間有關(guān)?？諝?燃料混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間是火花或類似物的應(yīng)用和該混合物實(shí)際點(diǎn)火之間的時(shí)間。這是一個(gè)很短的時(shí)間，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)的本發(fā)明燃料組合物各個(gè)成分和/或相互的組合，對(duì)給定的燃燒器的操作條件增加了這個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度，即，使得空氣-燃料混合物的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間將超過(guò)停留時(shí)間。停留時(shí)間與燃燒器中的空氣-燃料比、燃燒器的幾何形狀、以及燃燒器操作溫度和壓力有關(guān)。
而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，點(diǎn)火的延遲時(shí)間是加入燃燒器的燃料的特殊組成和燃燒器的操作條件(例如溫度、壓力、動(dòng)壓力等)的函數(shù)。對(duì)一定的當(dāng)量比和燃燒器的幾何形狀，在燃料燃燒期間，有短的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間的燃料比有長(zhǎng)的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間的其它燃料更可能發(fā)生火焰回火。如果在燃燒器的操作條件下，空氣-燃料混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間超過(guò)它的預(yù)混合段的停留時(shí)間，那么火焰的回火就可減至最少。因此，本發(fā)明另一優(yōu)選的實(shí)施例提供了在有干式低NOx燃燒器的燃?xì)廨啓C(jī)-燃燒器中產(chǎn)生動(dòng)力的改進(jìn)方法，在該方法中，燃料和含氧氣體混合物在燃燒器中燃燒，在燃燒器中混合物有停留時(shí)間和點(diǎn)火延遲時(shí)間，其特征是燃料包括(a)二甲醚、(b)一種醇和供選擇地(c)選自由水和C1-C6烷烴組成組的至少一種組分的混合物，且混合物中(a)、(b)和(c)(如果存在)各自的比率是這樣選擇，使在燃燒器的操作條件下，燃料-空氣混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間超過(guò)它的停留時(shí)間。
在DLN燃燒器的操作期間，某些工藝條件促進(jìn)火焰回火整體減至最少。一種特殊的工藝條件是動(dòng)壓力活性。動(dòng)壓力活性指的是整個(gè)燃燒室的壓力梯度。高的動(dòng)壓力值增加了空氣-燃料預(yù)混合區(qū)火焰回火的幾率。通常，在預(yù)混合區(qū)動(dòng)壓力值超過(guò)約4psi-5psi時(shí)，預(yù)混合模式操作不安全，且是不希望的。
與每一種操作模式相聯(lián)系的負(fù)荷范圍表明，預(yù)混合模式一般使用50％-100％的負(fù)荷。如圖1所示，對(duì)天然氣燃料的燃燒來(lái)說(shuō)，從預(yù)混合模式到第二模式到貧-貧模式到第一模式，參考燃燒溫度隨汽輪機(jī)負(fù)荷的逐漸地降低而降低。如圖2所示，預(yù)混合操作模式與在負(fù)荷小于50％操作的其它操作模式相比，天然氣燃料燃燒的NOx排放物，顯著地降低。
對(duì)特殊的DLN燃燒器來(lái)說(shuō)，圖3示出了天然氣燃料(NG FUEL)和本發(fā)明的燃料(1NV.FUEL)的燃燒器出口溫度(下文稱“CET”)與動(dòng)壓力值的關(guān)系圖。在CET低于2150°F時(shí)，天然氣燃料燃燒產(chǎn)生的動(dòng)壓力值(按峰壓力的變化測(cè)量)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本發(fā)明燃料燃燒過(guò)程中所經(jīng)歷的動(dòng)壓力值。具體地說(shuō)，天然氣燃料在CET為2065°F燃燒的動(dòng)壓力值約是4.3psi,而本發(fā)明的燃料燃燒的動(dòng)壓力值僅為約1psi。
甚至在CET為2020°F時(shí)，在本發(fā)明的燃料燃燒過(guò)程中所經(jīng)歷的“預(yù)混合模式”動(dòng)壓力值仍保持明顯低于據(jù)認(rèn)為是不安全的4psi-5psi。因此，本發(fā)明的燃料提供了對(duì)現(xiàn)有技術(shù)顯著的改進(jìn)，現(xiàn)在能夠在2020°F附近的溫度按預(yù)混合模式操作DLN燃燒器，2020°F附近的溫度遠(yuǎn)低于對(duì)天然氣設(shè)定50％汽輪機(jī)負(fù)荷的限制。這是一個(gè)超過(guò)現(xiàn)有技術(shù)燃料的重要的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槭褂帽景l(fā)明的燃料允許DLN燃燒器在負(fù)荷低于40％時(shí)進(jìn)行預(yù)混合模式操作，在低負(fù)荷得到更有效的燃燒器操作。能夠在這樣低的負(fù)荷操作燃燒器就可實(shí)現(xiàn)寬負(fù)荷操作范圍下降低NOx排放物。
在DLN燃燒器中本發(fā)明燃料燃燒實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)通過(guò)圖4和5曲線分別與圖1和2的比較就會(huì)看得更清楚。圖4是燃料分解與負(fù)荷關(guān)系的圖，當(dāng)本發(fā)明的燃料燃燒時(shí)，進(jìn)一步說(shuō)明特殊的DLN燃燒器的操作模式。如圖4所示，并當(dāng)與圖1所示的天然氣燃料的圖比較時(shí)，十分清楚，燃燒本發(fā)明燃料的DLN燃燒器可以以明顯低于燃燒天然氣的汽輪機(jī)的負(fù)荷在預(yù)混合模式中操作。
圖5圖示地說(shuō)明，在預(yù)混合模式中，通過(guò)本發(fā)明燃料的燃燒實(shí)現(xiàn)降低排放物，圖5是在不同的負(fù)荷和DLN燃燒器操作模式時(shí)，本發(fā)明的燃料燃燒所產(chǎn)生的CO和NOx的圖。因此，在預(yù)混合模式操作條件下，本發(fā)明燃料的燃燒產(chǎn)生的煙氣在煙氣中含15vol％氧氣時(shí)，含20ppmvd(干體積計(jì)，百萬(wàn)分之一)或小于20ppmvd的NOx和/或在汽輪機(jī)負(fù)荷高于40％時(shí)，含20ppmvd的CO。所以，本發(fā)明的另一優(yōu)選的實(shí)施例提供了在干式低NOx燃燒器的燃?xì)廨啓C(jī)-燃燒器中產(chǎn)生動(dòng)力的改進(jìn)方法，燃料和含氧的氣體混合物通過(guò)燃料燃燒的燃燒器，產(chǎn)生煙氣，并且燃料包括(a)二甲醚、(b)-種醇)和供選擇地(c)選自由水和C1-C6烷烴組成組的一或幾種組分的混合物，其中(a)、(b)和(c)(如果存在)的各自的比率是這樣選擇，使在燃燒器的操作條件下產(chǎn)生的煙氣含20ppmvd或20ppmvd以下的NOx和/或20ppmvd或20ppmvd以下的CO。
圖6是圖解地說(shuō)明總體標(biāo)注為10的干式低NOx燃燒系統(tǒng)，用于產(chǎn)生動(dòng)力?？諝馔ㄟ^(guò)管12加入壓縮機(jī)14，在壓縮機(jī)14中空氣被壓縮。壓縮空氣經(jīng)管線16自壓縮機(jī)14中排出。然后，空氣通過(guò)閥18加入總體標(biāo)注為20的燃燒器。液體燃料通過(guò)泵22從燃料源(未示出)泵入氣化器24，在氣化器中液體燃料被氣化。然后氣化的燃料通過(guò)加料管26加入燃燒器20。加入燃燒器20的氣化燃料的量通過(guò)閥28、30和32控制。閥28控制到燃燒器20的燃料總流量，而閥30控制通過(guò)第一個(gè)噴咀34加入燃燒器20的第一區(qū)36的燃料量，和閥32控制通過(guò)第二噴咀38加入燃燒器20的第二區(qū)40的燃料的量。氣化的燃料在燃燒器20中與壓縮空氣混合，在燃燒器中燃燒產(chǎn)生熱煙氣。在DLN燃燒系統(tǒng)10的預(yù)混合模式操作過(guò)程中，加入燃燒器20的約20％的燃料通過(guò)燃料第二噴咀38加入燃燒器20，而余量是通過(guò)第一燃料噴咀34加入。在預(yù)混合模式中，一部分的壓縮空氣在燃燒前在第一區(qū)36與氣化的燃料預(yù)混合。在預(yù)混合模式中，如圖6所示，火焰42僅在第二區(qū)40存在。
熱煙氣通過(guò)燃燒器排放區(qū)44排出燃燒器20，然后通過(guò)排放管46。這種煙氣可以在混合器48中與來(lái)自從壓縮機(jī)14通過(guò)管16和閥52導(dǎo)入空氣旁通管50的壓縮空氣混合。煙氣然后通過(guò)管54加入汽輪機(jī)56，在汽輪機(jī)56中膨脹接近大氣壓力，由此產(chǎn)生機(jī)械能。經(jīng)膨脹和冷卻的煙氣通過(guò)管58排出汽輪機(jī)56，然后通過(guò)排氣煙囪60排放。如圖6所示，汽輪機(jī)56產(chǎn)生的機(jī)械能可用于通過(guò)軸62驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)14。燃料的組成和點(diǎn)火延遲時(shí)間之間的關(guān)系下面更詳細(xì)描述測(cè)定DLN燃燒器安全操作的有適宜點(diǎn)火延遲時(shí)間的燃料組合物的方法和由此而得到的結(jié)果。一般來(lái)說(shuō)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的燃料的延遲點(diǎn)火時(shí)間，允許DLN燃燒系統(tǒng)安全而有效的操作。
測(cè)定不同燃料組合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間的實(shí)驗(yàn)是在不變體積的燃燒設(shè)備中進(jìn)行的(下文稱“CVCA”)，這是用來(lái)模擬柴油機(jī)的自動(dòng)點(diǎn)火。這些實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果用來(lái)測(cè)定適于在預(yù)混合模式中操作工業(yè)規(guī)模DLN燃燒器所用的燃料的組成。
CVCA是設(shè)置燃料噴射器、壓力轉(zhuǎn)換器和溫度傳感器的不銹鋼容器。使用的具體CVCA燃燒室直徑為5.4cm和長(zhǎng)度為16.2cm。使燃燒室的幾何形狀、尺寸和噴射系統(tǒng)相匹配，以保證適當(dāng)?shù)目?燃比。
在任何液體燃料噴入前，空氣和甲烷之類的氣體在CVCA的燃燒室混合。進(jìn)入燃燒室的氣體與室壁成切線方向進(jìn)入，以保證均勻地混合。燃料通過(guò)活塞鼓形泵的高壓噴射管輸送到噴射器，氣動(dòng)地驅(qū)動(dòng)一個(gè)短射程。在輸送至噴射裝置的期間，DME-甲醇、DME-水，和DME-丙烷混合物之類的燃料是在壓力(例如210psi)阻止沸騰和氣蝕的條件下輸送。每一種液體燃料噴入燃燒室，由于空氣-燃料混合物的溫度低于初始空氣的溫度，所以燃料氣化并快速地與空氣混合生成空氣-燃料混合物。
用設(shè)置Keithley Metrabyte 1801HC高性能卡的90Mhz Pentium-計(jì)算機(jī)測(cè)量噴射和燃燒數(shù)據(jù)以及溫度和壓力。該卡在信號(hào)增益為50∶1那樣高時(shí)，允許樣速率高達(dá)330KHz。5mm直徑的磁性鄰近傳感器設(shè)置在噴射采器的頭部，檢測(cè)針的升高。
第一組點(diǎn)火試驗(yàn)是使用四個(gè)燃料樣品進(jìn)行的，一個(gè)樣品是純凈的DME(即100％DME)，其它的樣品包括DME與水和甲醇的摻合物。第二組點(diǎn)火延遲試驗(yàn)是使用四個(gè)燃料樣品進(jìn)行的，即分別是DME與水的摻合物、DME與甲醇的摻合物、DME與丙烷的摻合物和純凈的戊烷。全部測(cè)量是在空-燃比接近0.4或接近1.0時(shí)進(jìn)行。從燃料樣品的第一組試驗(yàn)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)列于下表1表Ⅰ點(diǎn)火延遲時(shí)間(毫秒)

從燃料樣品的第二組試驗(yàn)得到的測(cè)量數(shù)據(jù)列于下表Ⅱ。
表Ⅱ點(diǎn)火延遲時(shí)間(毫秒)


★全部測(cè)量數(shù)據(jù)都是在當(dāng)量比為0.4時(shí)進(jìn)行。
點(diǎn)火延遲時(shí)間的測(cè)量也在純凈的DME噴入充滿預(yù)混合的空氣-甲烷氣體混合物的燃燒室中進(jìn)行。
下表Ⅲ提供了這些試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果。
表Ⅲ持續(xù)點(diǎn)火時(shí)間

表Ⅰ的點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間的測(cè)量結(jié)果表明，DME-甲醇-水摻合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間明顯地長(zhǎng)于純凈DME的點(diǎn)火延遲時(shí)間。測(cè)量結(jié)果還表明，提高DME摻合燃料中的甲醇含量增加點(diǎn)火延遲時(shí)間。表Ⅱ中的測(cè)量結(jié)果表明，水和丙烷在增加DME的點(diǎn)火延遲時(shí)間方面，效果相同。如表Ⅲ所示，提高DME摻合燃料的甲烷含量，點(diǎn)火延遲時(shí)間也增加。
實(shí)施例下述的實(shí)施例說(shuō)明，在DLN燃燒系統(tǒng)中，純凈DME燃料的燃燒將產(chǎn)生火焰回火，而在本發(fā)明的燃料的燃燒中將不產(chǎn)生火焰回火。下述第一個(gè)實(shí)施例的試運(yùn)轉(zhuǎn)是工業(yè)規(guī)模的DLN燃燒器中使用本發(fā)明的DME摻合燃料進(jìn)行。第二個(gè)實(shí)施例的試運(yùn)轉(zhuǎn)是在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的DLN燃燒系統(tǒng)中使用純凈DME燃料和DME摻合燃料進(jìn)行。實(shí)施例1由2.9wt％水、14.2wt％甲醇和82.9wt％二甲醚組成的液體燃料混合物，用串聯(lián)操作的增面室渦輪泵泵送到蒸發(fā)器/過(guò)熱器裝置。第一臺(tái)泵(稱為轉(zhuǎn)運(yùn)泵)把燃料從約40-60psig加壓到約300psig。第二臺(tái)泵(稱為增壓泵)把壓力提高到550psig，并把液體燃料泵送到在約450psig壓力下操作的蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中，液體燃料氣化。
壓縮空氣以約44磅/秒-54磅/秒的速率加入DLN燃燒器。壓縮空氣的溫度在約565°F-710°F變化。在DLN燃燒器中的壓力是在約120psia-約180psia變化。溫度在350°F以上的氣化的燃料以空氣流的速率約1.0wt％-4.6wt％噴入DLN燃燒器。
燃燒試驗(yàn)的結(jié)果證明，在預(yù)混合模式中，設(shè)計(jì)用于天然氣和傳統(tǒng)餾分燃料的DLN燃燒器加入的燃料成功地燃燒，而沒有回火問(wèn)題，且滿足了作為天然氣燃料目標(biāo)的低排放物要求(例如在汽輪機(jī)排氣中含15％氧時(shí)，15ppmvd NOx)。
如上所述，在商業(yè)燃燒器的操作條件下，燃料的回火特征和總的汽輪機(jī)系統(tǒng)的可操作性都通過(guò)燃燒器的動(dòng)壓力活性反應(yīng)出來(lái)。因此，甚至在較低負(fù)荷時(shí)，動(dòng)壓力活性保持明顯的低于4psi,所以沒有回火發(fā)生。實(shí)施例2在DLN系統(tǒng)中，按“預(yù)混合”模式操作，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的燃燒器試驗(yàn)，以比較兩種液體燃料的回火問(wèn)題一種燃料是純凈的二甲醚，另一種是由15wt％甲醇、3wt％水和82wt％二甲醚組成的二甲醚摻合燃料。主要的操作條件示于表Ⅳ中。對(duì)相似的燃燒條件來(lái)說(shuō)，用純凈二甲醚的試驗(yàn)結(jié)果表明，回火問(wèn)題嚴(yán)重(由燃料/空氣預(yù)混合室中存在火焰表明)，而二甲醚摻合燃料沒有表明任何這樣的回火問(wèn)題。
表Ⅳ實(shí)驗(yàn)室規(guī)模DLN燃燒器試驗(yàn)(預(yù)混合模式)

前面的描述只是清楚地理解本發(fā)明，并應(yīng)當(dāng)理解為不是對(duì)本發(fā)明的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員清楚，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以做出一些改進(jìn)。
權(quán)利要求
1．一種燃料組合物，包括(a)、(b)和(c)的混合物，(a)15wt％-93wt％二甲醚；(b)7wt％-85wt％的至少一種醇，和(c)0wt％-50wt％的選自由水和C1-C6烷烴組成組的至少一種組分。
2．按權(quán)利要求1的燃料組合物，其中上述的醇選自由甲醇、乙醇和丙醇組成的組，上述的組分(c)選自由水、甲烷、丙烷和液化石油氣組成的組。
3．按權(quán)利要求1的燃料組合物，包括80wt％-93wt％的所述二甲醚、7wt％-20wt％甲醇和0wt％-10wt％選自由水、甲烷、丙烷和液化石油氣組成的組。
4．一種產(chǎn)生動(dòng)力的方法，所述方法包括以下步驟(ⅰ)把權(quán)利要求1的燃料組合物通入一燃?xì)廨啓C(jī)的干式低NOx燃燒器，在含氧氣體存在下燃燒，產(chǎn)生熱煙氣；和(ⅱ)把上述的煙氣通入上述燃?xì)廨啓C(jī)-燃燒器的汽輪機(jī)，產(chǎn)生動(dòng)力。
5．按權(quán)利要求4的方法，其中所述干式低NOx燃燒器是用預(yù)混合模式操作。
6．按權(quán)利要求4的方法，其中所述含氧氣體是空氣。
7．按權(quán)利要求4的方法，其中一部分上述含氧氣體與煙氣一起從上述燃?xì)廨啓C(jī)-燃燒器的壓縮機(jī)直接通入上述的汽輪機(jī)。
8．按權(quán)利要求4的方法，其中所述的燃料與所述的含氧氣體的混合物通入上述的燃燒器，在燃燒器中，上述的燃料燃燒，其中上述混合物在上述燃燒器中有停留時(shí)間，上述燃料-氣混合物的特征是點(diǎn)火延遲時(shí)間，且燃料組合物各組分(a)、(b)和(c)(如果存在)各自的比率是這樣選擇，使在操作條件下，上述燃料-氣混合物的點(diǎn)火延遲時(shí)間超過(guò)它的停留時(shí)間。
9．按權(quán)利要求4的方法，其中上述燃料和上述含氧氣體的混合物是通入上述燃燒器，在燃燒器中燃燒，產(chǎn)生上述的煙氣，其中燃燒器是按預(yù)混合模式操作，燃料組合物各組分(a)、(b)和(c)(如果存在)的各自比率是這樣選擇，使燃燒器在預(yù)混合模式操作條件下，產(chǎn)生的煙氣在氧含量為15％時(shí)，NOx的濃度為20ppmvd或更少。
10．按權(quán)利要求4的方法，其中上述燃料和上述含氧氣體的混合物通入上述燃燒器，上述燃料在上述燃燒器中燃燒產(chǎn)生煙氣，其中燃燒器是按預(yù)混合模式操作，燃料組合物各組分(a)、(b)和(c)(如果存在)各自比率是這樣選擇，使在燃燒器的預(yù)混合模式操作下產(chǎn)生的煙氣的CO的濃度為20ppmvd或更少。
全文摘要
一種按下述方式經(jīng)能量的方法,即,通過(guò)把含二甲醚的燃料通入燃?xì)廨啓C(jī)的干式低NO
文檔編號(hào)F23R3/28GK1230977SQ98800918
公開日1999年10月6日 申請(qǐng)日期1998年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月1日
發(fā)明者阿魯納哈·巴蘇, 西奧·H·弗萊施, 卡爾·A·烏多維希, 阿拉卡南達(dá)·巴塔查里亞, 麥克爾·J·格拉達(dá)西 申請(qǐng)人:Bp阿莫科公司