用于燃?xì)廨啓C(jī)排出氣體處理的包含儲(chǔ)氧組分的催化劑的制作方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的相互引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年2月21日提交的名稱為〃減少燃?xì)廨啓C(jī)排出氣體中的氧氣〃 的美國專利申請(qǐng)61/767, 690的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其全部引入本申請(qǐng)作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本說明書總體上涉及低排放發(fā)電系統(tǒng)。更具體而言，本說明書涉及用于改變從燃 氣輪機(jī)系統(tǒng)排出氣體的組分組成的系統(tǒng)以及方法。
【背景技術(shù)】
[0004] 本部分意圖是介紹本領(lǐng)域的各方面，其可以與本技術(shù)例證性實(shí)施方案有關(guān)。本論 述據(jù)信有助于提供框架以促進(jìn)更好理解本技術(shù)具體的方面。因此，很清楚本部分應(yīng)該就此 而論地被理解，而非必須作為現(xiàn)有技術(shù)引入。
[0005] 燃料在，例如，與燃?xì)廨啓C(jī)整合的燃燒器之內(nèi)的燃燒，可以通過監(jiān)測(cè)排出氣體的溫 度而控制。在完全負(fù)載下，一般的燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)整引入若干燃燒器的燃料數(shù)量以達(dá)到所要求 的燃燒氣體或者排出氣體的溫度。常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)使用入口導(dǎo)流片控制引入燃燒器的氧化 劑。在部分負(fù)載下，引入該燃燒器的氧化劑數(shù)量減少以及再次控制引入的燃料數(shù)量以達(dá)到 所要求的排出氣體溫度。進(jìn)一步地，在部分負(fù)載下，燃?xì)廨啓C(jī)效率下降因?yàn)樵撊肟趯?dǎo)流片 限制了減少氧化劑數(shù)量的能力，其僅能略微地減少氧化劑流動(dòng)。進(jìn)一步地，當(dāng)入口導(dǎo)流片處 于它們的流動(dòng)限制位置時(shí)，該氧化劑保持恒定較低流速。當(dāng)產(chǎn)生功率較低時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)效率 則下降因?yàn)樾枰^低膨脹器（expander)入口溫度以使得用此質(zhì)量流量產(chǎn)生此功率量。而 且，現(xiàn)有氧化劑入口調(diào)節(jié)裝置無法精細(xì)控制流速以及可以由于任意限制該氧化劑流動(dòng)而引 起大的壓力降。用這些方法任何一種控制氧化劑，存在部分負(fù)載或者減壓操作下缺油熄火 的潛在問題。
[0006] 當(dāng)目標(biāo)是從排出氣體收集二氧化碳（C02)時(shí)，需要控制引入該燃燒器的氧化劑數(shù) 量。由于幾個(gè)原因，當(dāng)前的二氧化碳收集技術(shù)是昂貴的。一個(gè)原因是排出氣體中二氧化碳 的低壓以及低濃度。然而，通過在基本化學(xué)計(jì)量條件下運(yùn)行該燃燒過程，二氧化碳濃度可以 從約4%至大于10%顯著地增加。進(jìn)一步地，一部分排出氣體可以再循環(huán)至該燃燒器作為 稀釋劑以控制在該燃燒器之內(nèi)氣體以及該排出氣體的溫度。此外，在排出氣體中任何不用 的氧氣會(huì)是所收集二氧化碳中的污染物，從而限制了可用于收集二氧化碳的溶劑種類。
[0007] 在許多系統(tǒng)中，可以通過改變獨(dú)立氧化劑系統(tǒng)運(yùn)行降低氧化劑流速。例如，獨(dú)立氧 化劑壓縮機(jī)可以減速至更慢運(yùn)行速度由此提供降低的氧化劑流速。然而，壓縮機(jī)運(yùn)行速度 降低通常使壓縮機(jī)效率降低。另外，該壓縮機(jī)減速可以降低進(jìn)入該燃燒器的氧化劑壓力。相 反，如果通過該燃?xì)廨啓C(jī)的壓縮機(jī)部分提供該氧化劑，則減速不是在電力產(chǎn)生期間可控制 的變量。用以產(chǎn)生60周電力的大型燃?xì)廨啓C(jī)通常在3600rpm下運(yùn)行。相似地，產(chǎn)生50周 電力的燃?xì)廨啓C(jī)常運(yùn)行于3000rpm下。在常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器運(yùn)行中，進(jìn)入該燃燒器之 內(nèi)氧化劑的流量不能確保有效控制，這是因?yàn)檫^量的氧化劑用作該燃燒室中的冷卻劑以控 制該燃燒條件以及該排出氣體溫度。已經(jīng)進(jìn)行許多研宄以確定用于控制燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒過 程的技術(shù)為了使在該排出氣體中氧以及不符合要求的燃燒副產(chǎn)物、比如一氧化碳減到最低 程度。
[0008] 例如，Mittricker等的公開號(hào)為W0/2010/044958的國際專利申請(qǐng)公開例如燃?xì)?輪機(jī)系統(tǒng)中控制燃燒產(chǎn)物的方法以及系統(tǒng)。一個(gè)實(shí)施方案包括一種燃燒調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其具有 氧化料流，該氧化料流基本上包含氧氣以及C0 2，然后將該氧化料流與燃燒燃料料流混合以 及在燃燒器中燃燒以產(chǎn)生燃燒產(chǎn)物料流，該燃燒產(chǎn)物料流具有分別通過溫度傳感器以及氧 分析器檢測(cè)的溫度以及組成。來自該傳感器數(shù)據(jù)用來控制該氧化以及燃燒燃料料流的流量 以及組成。該系統(tǒng)也可包括具有膨脹器的燃?xì)廨啓C(jī)以及在反饋配置中具有負(fù)載以及負(fù)載控 制器。
[0009] Mittricker等的公開號(hào)為W0/2009/120779的國際專利申請(qǐng)公開了用于低排放 電力生產(chǎn)以及烴類回收的系統(tǒng)以及方法。一個(gè)系統(tǒng)包括整合壓力維持以及可容許溢出 (miscible flood)的低排放電力生產(chǎn)系統(tǒng)。另一系統(tǒng)提供低排放電力生產(chǎn)、碳固存、提高原 油采收率（E0R)，或者使用高溫氣體膨脹器以及外部的燃燒器提供二氧化碳銷售。另一系統(tǒng) 提供低排放電力生產(chǎn)，使用氣體動(dòng)力氣輪機(jī)以壓縮進(jìn)口壓縮機(jī)中空氣以及使用在該膨脹器 中熱二氧化碳汲取氣體（laden gas)產(chǎn)生電力。
[0010] Wichman的公開號(hào)為US2012/0023954的美國專利申請(qǐng)公開了發(fā)電廠以及操作方 法。該發(fā)電廠以及方法包括主氣流壓縮機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)組合體。該組合體包括氣輪機(jī)燃燒 器，其用于將壓縮的環(huán)境氣體與再循環(huán)低氧氣含量的氣流以及燃料流混合以形成可燃混合 物。該可燃混合物在氣輪機(jī)燃燒器中燃燒，形成再循環(huán)的低氧氣含量流。該組合體包括再 循環(huán)回路用于將來自該氣輪機(jī)的再循環(huán)的低氧氣含量氣流再循環(huán)至該氣輪機(jī)壓縮機(jī)。該組 合體也包括整合的進(jìn)口泄放熱量管路，其該燃?xì)廨啓C(jī)組合體至主氣流壓縮機(jī)進(jìn)料端以及將 一部分來自該燃?xì)廨啓C(jī)組合體的再循環(huán)低氧含量的氣流傳遞至該主氣流壓縮機(jī)的進(jìn)料端。
[0011] Popovic的美國專利US8, 205, 455公開了發(fā)電廠以及運(yùn)行方法。該發(fā)電廠包括主 氣流壓縮機(jī)和氧化劑單元設(shè)置以傳遞壓縮的富氧氣流至燃?xì)廨啓C(jī)組合體。各燃?xì)廨啓C(jī)組合 體包括氣輪機(jī)燃燒器，其用于將壓縮的富氧氣流與再循環(huán)氣流以及燃料流混合以使可燃混 合物燃燒以及形成該再循環(huán)氣流。該組合體也包括再循環(huán)回路，其用于再循環(huán)來自氣輪機(jī) 再循環(huán)氣流至氣輪機(jī)式壓縮機(jī)。該組合體還包括再循環(huán)氣流提取路徑用于提取來自該組合 體的一部分再循環(huán)氣流以及將此傳遞至氣體分離系統(tǒng)。該氣體分離系統(tǒng)將部分再循環(huán)氣流 分離成為氮?dú)獠糠忠约岸趸疾糠帧?br>[0012] Weil等美國專利US5, 355, 668公開承載催化劑組分的燃?xì)廨啓C(jī)。催化劑材料形成 在該引擎氣體流路中組件之上，減少一氧化碳以及未燃燒烴排放。該催化劑材料選自貴金 屬以及過渡金屬氧化物。其中應(yīng)用上述材料的氣體流路的部分可以包括燃燒器、氣輪機(jī)、以 及排放系統(tǒng)。該催化劑涂層可以與熱障涂層系統(tǒng)共同涂布，該熱障涂層系統(tǒng)插入在基材組 件以及該催化劑涂層之間。
[0013] 過去控制排出氣體組分的嘗試集中在降低諸如一氧化碳、氮氧化物以及未燃烴之 類的標(biāo)準(zhǔn)污染物含量。成果主要通過利用在一些催化劑下的近化學(xué)計(jì)量的燃燒實(shí)現(xiàn)，比如 催化劑選擇以降低排出氣體中一氧化碳以及N0X。結(jié)果，排出物中各種其它氣體、比如氧氣 濃度可以高于所希望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本技術(shù)的例證性實(shí)施方案提供燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)。該燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)包括氧化劑系統(tǒng)、 燃料系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。燃燒器適合于接收以及燃燒來自該氧化劑系統(tǒng)的氧化劑以及來自 該燃料系統(tǒng)的燃料以產(chǎn)生排出氣體。催化劑單元包括氧化催化劑，該氧化催化劑包括儲(chǔ)氧 組分，配置催化劑單元以降低排出氣體中氧氣濃度以形成低氧氣含量的產(chǎn)物氣體。
[0015] 另一個(gè)實(shí)施方案提供一種熱量回收單元。熱量回收單元包括換熱器以及催化劑 床，該換熱器配置為從排出氣體除去熱能，催化劑床配置為降低排出氣體中目標(biāo)氣體濃度。 該催化劑床包括儲(chǔ)氧組分（0SC)。
[0016] 另一個(gè)實(shí)施方案提供在燃?xì)廨啓C(jī)中燃燒燃料的方法。該方法包括將燃料提供至在 燃?xì)廨啓C(jī)上的燃燒器，將氧化劑提供至該燃燒器、以及使該燃料以及該氧化劑在該燃燒器 中燃燒以產(chǎn)生排出氣體。使至少一部分該排出氣體穿過包括催化劑的催化劑床以形成低的 氧含量產(chǎn)物氣體，該催化劑具有儲(chǔ)氧組分（0SC)催化劑。
【附圖說明】
[0017] 通過參照以下詳細(xì)說明以及附圖更好理解本技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其中：
[0018] 附圖1是包括燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的示意圖；
[0019] 附圖2是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)200示意圖，燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)200可用于調(diào)整至燃?xì)廨啓C(jī)102 的燃燒器110的氧化劑流量和/或燃料流量；
[0020] 附圖3是燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)示意圖，該燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)包括在來自該膨脹器排出部分的 排出料流之上的熱量回收蒸汽發(fā)生器（HRSG);
[0021] 附圖4A以及4B是模擬圖解，顯示當(dāng)當(dāng)量比（(i))分別從0. 75變化至1. 25以及從 0. 999變化至1. 001時(shí)在氧氣以及一氧化碳濃度之間的關(guān)系；
[0022] 附圖5是顯示可用于實(shí)施方案的當(dāng)量比分布的另一個(gè)圖；
[0023] 附圖6是基于傳感器陣列的讀數(shù)調(diào)整至該燃燒器的燃料以及氧化劑水平的方法 的框圖；
[0024] 附圖7是可以用于控制該氧化劑以及燃料至燃?xì)廨啓C(jī)之中燃燒器的裝置控制系 統(tǒng)的框圖；以及
[0025] 附圖8是圖解模擬燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，其說明了在熱量回收蒸汽發(fā)生器（HRSG)中利用 兩個(gè)催化劑床以降低在排出氣流中所選擇組分的濃度。
[0026] 發(fā)明詳述
[0027] 在下文中詳細(xì)說明部分，公開本技術(shù)的具體實(shí)施方案。然而，在以下說明具體至 本技術(shù)特定的實(shí)施方案或者特定的應(yīng)用的程度上，這意圖是僅用于作例證以及簡單提供作 例證的實(shí)施方案的說明。因此，該技術(shù)不局限于如下所述的特定實(shí)施方案，而是包括附加 權(quán)利要求書真實(shí)精神以及范圍的替代、改進(jìn)以及等同。
[0028] 首先，為了便于參考，闡明用于本申請(qǐng)的一些術(shù)語和用于本文的它們的含義。對(duì)于 以下沒有定義的本文使用的術(shù)語，應(yīng)該給予其相關(guān)領(lǐng)域人員給予的最寬泛的定義，如至少 一個(gè)印刷的出版物或授權(quán)的專利中反映的。進(jìn)一步地，本技術(shù)不被以下顯示的術(shù)語的用法 所限制，因?yàn)樗械牡韧?、同義詞、新出現(xiàn)詞（new development)以及用于相同或相似目 的的術(shù)語或技術(shù)被認(rèn)為在本發(fā)明權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0029]"聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠"使用蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)兩者產(chǎn)生動(dòng)力。燃?xì)廨啓C(jī)以開放或 半開放布雷頓循環(huán)運(yùn)行，和蒸汽輪機(jī)以由來自燃?xì)廨啓C(jī)的熱提供動(dòng)力的蘭金循環(huán)運(yùn)行。這 些聯(lián)合循環(huán)氣體/蒸汽動(dòng)力裝置通常具有比僅氣體裝置或蒸汽裝置高的能量轉(zhuǎn)換效率。聯(lián) 合循環(huán)發(fā)電廠的效率可高達(dá)50%至60%。較高的聯(lián)合循環(huán)效率由燃?xì)廨啓C(jī)與蒸汽輪機(jī)組 合的協(xié)同利用產(chǎn)生。通常，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠利用來自燃?xì)廨啓C(jī)廢氣的熱使水沸騰，從而產(chǎn)生 蒸汽。典型的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠中的鍋爐可被稱為熱量回收蒸汽發(fā)生器（HRSG)。產(chǎn)生的蒸汽 用于向聯(lián)合循環(huán)廠中的蒸汽輪機(jī)提供動(dòng)力。燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)可用于分別向獨(dú)立的發(fā)生 器提供動(dòng)力，或可選地，蒸汽輪機(jī)可與燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)合，以便通過共同的驅(qū)動(dòng)軸聯(lián)合驅(qū)動(dòng)單個(gè) 發(fā)電機(jī)。
[0030] 稀釋劑是主要用于降低由燃料以及氧化劑燃燒引起的燃燒器溫度的氣體。稀釋劑 可用于降低供應(yīng)至燃?xì)廨啓C(jī)的氧化劑或燃料（或兩者）的濃度和/或稀釋燃燒產(chǎn)物。稀釋 劑可以是過量的氮?dú)?、C02、燃燒廢氣，或任何數(shù)量的其他氣體。在實(shí)施方式中，稀釋劑也可 對(duì)燃燒器和/或燃?xì)廨啓C(jī)的其它部件提供冷卻。
[0031] 如本文所用的，"壓縮機(jī)〃包括設(shè)計(jì)用于增加工作流體壓力的任何類型的設(shè)備，并 且包括相似或不同類型的壓縮設(shè)備的任何一種類型或組合。壓縮機(jī)也可包括與壓縮機(jī)相關(guān) 的輔助設(shè)備，諸如馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等等。壓縮機(jī)可利用一個(gè)或多個(gè)壓縮段，例如串聯(lián)。例證 性的壓縮機(jī)可包括但不限于，正位移型，舉例來說，如往復(fù)和旋轉(zhuǎn)壓縮機(jī)，以及包括動(dòng)力學(xué) 型，舉例來說，如離心和軸流壓縮機(jī)。例如，壓縮機(jī)可以是燃?xì)廨啓C(jī)引擎中的第一段，如以下 進(jìn)一步詳細(xì)討論的。
[0032] 〃控制系統(tǒng)〃通常包括利用邏輯電路的一個(gè)或多個(gè)物理系統(tǒng)部件，其相互配合以 獲得一組共同的過程結(jié)果。在燃?xì)廨啓C(jī)引擎的操作中，目的可以是獲得特定的廢氣組成和 溫度?？刂葡到y(tǒng)可設(shè)計(jì)來在外部干擾、由于制造偏差在物理部件中的變動(dòng)、和輸入的設(shè)定點(diǎn) 值對(duì)于受控輸出值變化的存在下可靠地控制物理系統(tǒng)部件。控制系統(tǒng)通常具有至少一個(gè)測(cè) 量裝置，其提供可送入控制器的過程變量的讀取，該控制器隨后可向執(zhí)行器提供控制信號(hào)， 該致動(dòng)器隨后驅(qū)動(dòng)最終控制元件，其對(duì)例如氧化劑流產(chǎn)生作用。控制系統(tǒng)可設(shè)計(jì)來保持穩(wěn) 定和避免在具體操作條件范圍內(nèi)的振動(dòng)。良好設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可顯著降低人工干預(yù)的需 要，即使在操作過程中的不正常狀態(tài)期間。
[0033] 〃當(dāng)量比〃指的是進(jìn)入燃燒器的燃料與氧氣的質(zhì)量比除以當(dāng)比率為化學(xué)計(jì)量時(shí)燃 料與氧氣的質(zhì)量比。形成〇) 2和水的理想的燃料和氧氣燃燒將具有1的當(dāng)量比。過度貧 態(tài)的混合物，例如與燃料相比具有更多的氧氣，將提供小于1的當(dāng)量比，而過度富態(tài)的混合 物，例如與氧氣相比具有更多的燃料，將提供大于1的當(dāng)量比。
[0034] 〃X〃指進(jìn)入燃燒器的氧氣與燃料質(zhì)量比除以當(dāng)比率是化學(xué)計(jì)量時(shí)的氧氣與燃料 質(zhì)量比。人=1/(當(dāng)量比）。
[0035] 〃燃料〃包括可與氧化劑一起燃燒以向燃?xì)廨啓C(jī)提供動(dòng)力的諸多烴。這樣的烴可 包括天然氣、處理的天然氣、煤油、汽油或諸多其他天然或合成的烴。
[0036] 〃燃?xì)廨啓C(jī)〃引擎按布雷頓循環(huán)運(yùn)行。如果廢氣被排出，則這被稱為開放布雷頓循 環(huán)，而再循環(huán)至少一部分廢氣，則提供半開放布雷頓循環(huán)。在半布雷頓循環(huán)中，至少將燃料 以及氧化劑加入該系統(tǒng)以支持內(nèi)部燃燒以及部分燃燒產(chǎn)物排出或者抽出。在封閉布雷頓循 環(huán)中，排出氣體全部回收以及無排出或者抽出物以及通過外部燃燒或者裝置加入熱量。如 本文所用的，燃?xì)廨啓C(jī)通常包括壓縮機(jī)部分、多個(gè)燃燒器和氣輪機(jī)膨脹器部分。壓縮機(jī)可用 于壓縮氧化劑，氧化劑與燃料混合并引導(dǎo)至燃燒器。燃料和氧化劑混合物隨后被點(diǎn)燃以產(chǎn) 生熱燃燒氣體。燃燒氣體被引導(dǎo)至氣輪機(jī)膨脹器部分，氣輪機(jī)膨脹器部分從燃燒氣體中提 取能量用于向壓縮機(jī)提供動(dòng)力，以及產(chǎn)生有用功以向負(fù)荷提供動(dòng)力。在本文討論的實(shí)施方 式中，氧化劑可通過外部壓縮機(jī)提供給燃燒器，外部壓縮機(jī)可以被或不被機(jī)械連接至燃?xì)?輪機(jī)引擎的軸。進(jìn)一步地，在實(shí)施方式中，壓縮機(jī)部分可用于壓縮稀釋劑，諸如再循環(huán)的廢 氣，其可作為冷卻劑被送至燃燒器。
[0037] 〃熱量回收蒸汽發(fā)生器〃或HRSG是從熱氣體流中回收熱量的換熱器或鍋爐。它 產(chǎn)生可在過程中