способ подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в камеру сгорания углеводородного топлива и воздуха из-за компрессора, при этом часть топлива до подачи его в камеру сгорания пропускают через катализатор, отличающийся тем, что топливо перед подачей на катализатор смешивают с воздухом, нагревают катализатор и с его помощью осуществляют автотермическую воздушную конверсию с получением газовой смеси, содержащей водород и окись углерода.

2. Способ подготовки и сжигания топлива по п. 1, отличающийся тем, что воздух для смешения отбирают за компрессором газотурбинной установки.

3. Способ подготовки и сжигания топлива по п. 1, отличающийся тем, что топливовоздушную смесь, подаваемую на катализатор, нагревают.

4. Устройство для подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, содержащее камеру сгорания и систему топливопитания с основной магистралью и параллельной ей дополнительной линией с каталитическим реактором в ней, отличающееся тем, что дополнительная линия перед каталитический реактором снабжена топливовоздушным смесителем, а полость над реактором соединена с источником горячего газа.

5. Устройство для подготовки и сжигания топлива по п. 4, отличающееся тем, что воздушный вход топливовоздушного смесителя соединен с компрессором газотурбинной установки.

6. Устройство для подготовки и сжигания топлива по п. 4, отличающееся тем, что топливовоздушный смеситель выполняют заодно с каталитическим реактором.

7. Устройство для подготовки и сжигания топлива по п. 4, отличающееся тем, что в качестве источника горячего газа выбран газовоздушный тракт турбины.

8. Устройство для подготовки и сжигания топлива по п. 6, отличающееся тем, что в качестве источника горячего газа выбран газовоздушный тракт турбины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к камерам сгорания газотурбинных установок (далее ГТУ), работающим на жидком или газообразном углеводородном топливе и использующим в своей работе каталитические средства.

Известен способ подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в камеру сгорания углеводородного топлива и воздуха из-за компрессора и сжигание этой топливовоздушной смеси в зоне каталитического реактора, занимающего часть объема камеры сгорании, и реализованный в устройстве, имеющем камеру сгорания с каталитическим реактором внутри нее и систему топливопитания [1].

В таких камерах сгорания горение происходит при Тг*=1100-1600 К, что обеспечивает низкие концентрации оксидов азота NOx и окиси углерода СО. Однако эти камеры имеют и существенные недостатки: узкий диапазон устойчивого горения, высокое гидравлическое сопротивление, низкую надежность и малый ресурс каталитических блоков, высокую стоимость катализаторов из-за применения редкоземельных металлов (платины, родия, палладия и др.). Кроме того, для замены каталитических блоков после выработки их ресурса требуется разборка камеры сгорания и ГТУ, что снижает эксплуатационную технологичность и надежность.

Наиболее близким к предлагаемому является способ подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающий подачу в камеру сгорания углеводородного топлива и воздуха из-за компрессора с пропусканием при этом части топлива до подачи его в камеру сгорания через каталитический реактор, где исходное топливо с помощью катализатора, содержащего редкоземельные металлы, разлагается на легковоспламеняющиеся вещества, в частности на спирты, альдегиды, водород [2].

Устройство для реализации этого способа содержит камеру сгорания с системой топливопитания, включающей основную и параллельную ей дополнительную линии, при этом дополнительная линия снабжена каталитическим реактором [2].

Такое устройство за счет улучшения каталитического сжигания позволяет достичь низких концентраций оксидов азота NOx и высокого КПД из-за уменьшения гидравлического сопротивления.

Однако это устройство основано на каталитическом сжигании и, следовательно, сохраняет недостатки, присущие каталитическим камерам сгорания [1].

Задача изобретения - снижение вредных выбросов - оксидов азота NOx и СО в продуктах горения. Дополнительная задача - повышение устойчивости горения в камере сгорания.

Указанные задачи достигаются тем, что в способе подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, включающем подачу в камеру сгорания углеводородного топлива и воздуха из-за компрессора, при этом часть топлива до подачи его в камеру сгорания пропускают через катализатор, топливо перед подачей на катализатор смешивают с воздухом и с помощью катализатора для воздушно-кислородной конверсии получают газовую смесь.

Новым здесь является то, что топливо перед подачей на катализатор смешивают с воздухом и с помощью катализатора для воздушно-кислородной конверсии получают газовую смесь, содержащую, по меньшей мере, Н₂ и СО.

Смешав топливо, подаваемое в каталитический реактор, с воздухом, мы имеем возможность осуществить с помощью катализатора топливовоздушную конверсию в реакторе и получить на выходе из реактора газ, содержащий НС, СО. Известно, что водород Н₂ и окись углерода СО имеют более широкие концентрационные пределы воспламенения и высокую скорость горения, чем исходное топливо. Это позволяет при наличии Н₂ и СО сжигать в камере сгорания очень "бедные" смеси с очень низкой температурой горения и значительно снизить вредные выбросы оксидов азота NOx и СО при условии широкого диапазона устойчивого горения. Кроме того, Н₂ стимулирует дожигание СО в камере сгорании, что уменьшает ее концентрацию на выходе из камеры сгорания.

Наиболее целесообразно воздух для смешения с топливом отбирать за компрессором ГТУ.

Для создания оптимальных температурных условий для каталитической реакции в случае необходимости топливовоздушную смесь, подаваемую на катализатор, или сам катализатор нагревают.

Указанная задача достигается также тем, что в устройстве для подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки, содержащем камеру сгорания и систему топливопитания с основной магистралью и параллельной ей дополнительной линией с каталитическим реактором на ней, в нем дополнительная линия перед каталитическим реактором снабжена топливовоздушным смесителем, воздушный вход которого соединен с компрессором газотурбинной установки.

Новым здесь является то, что:

а) дополнительная линия перед каталитическим реактором снабжена топливовоздушным смесителем, воздушный вход которого соединен с компрессором газотурбинной установки;

б) воздушный вход смесителя соединен с компрессором газотурбинной установки.

Смеситель, которым снабжена дополнительная линия перед каталитическим реактором, служит для подготовки равномерной топливовоздушной смеси определенного состава для последующей автотермической воздушной конверсии углеводородного топлива (например, метана) в каталитическом реакторе.

Катализатор конверсирует топливовоздушную смесь в газ, содержащий Н₂ и СО. При этом для этой реакции можно использовать относительно недорогие и более долговечные катализаторы, например, никелевые.

Соединив воздушный вход смесителя с компрессором газотурбинной установки, мы используем относительно дешевый воздух для воздушно-кислородной конверсии углеводородного топлива.

Кроме того:

а) топливоздушный смеситель может быть выполнен заодно с каталитическим реактором, что дает выигрыш и в весе, и в габаритах;

б) полость над реактором или (и) над топливовоздушным смесителем может быть соединена с источником горячего газа, что позволяет иметь в зоне реактора оптимальную температуру для каталитической реакции, используя тепло ГТУ;

в) в качестве источника горячего газа может быть выбран газовоздушный тракт турбины, что повышает экономичность работы устройства.

На чертеже представлено устройство для подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки.

Устройство для подготовки и сжигания топлива в камере сгорания газотурбинной установки содержит камеру сгорания 1 с системой топливопитания, включающей основную 5 и параллельную ей дополнительную 3 линии. Дополнительная линия 3 перед каталитическим реактором снабжена смесителем 5, соединенным своим вторым входом с компрессором 6. Полость 7 над корпусом 8 реактора 4 соединена с газовоздушным трактом турбины 9. Турбина 9 газодинамически соединена с силовой турбиной 10, на валу которой расположен привод.

Способ реализуют следующим образом. Подают в камеру сгорания 1 углеводородное топливо, например СН₄ и воздух, из-за компрессора 5. Часть топлива до подачи в камеру сгорания 1 смешивают с воздухом в смесителе 5 и пропускают через катализатор в реакторе 4, в котором эту топливовоздушную смесь конверсируют в газ, содержащий Н₂ и СО, которые сжигают в камере сгорания 1. Воздух для подачи в смеситель 5 отбирают за компрессором 6.

Источники информации

1. Патент РФ 2160415, МКИ F 23 R 3/40, опубл. 2000 г.

2. Патент РФ 2143643, МКИ F 23 R 3/40, опубл. 1999 г.