电加热的催化燃烧器制造技术

本公开涉及一种包括具有催化燃烧器的回热气体涡轮发动机的系统及其操作方法，该催化燃烧器包括：(a)上游区段，该上游区段包括电加热器，和(b)下游催化剂区段，其中该上游区段和该下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电加热的催化燃烧器
本公开涉及用于点燃和控制催化燃烧室中、尤其是回热气体涡轮发动机的燃烧室内的空气/燃料混合物的装置和方法，其中此类发动机可用于功率发生和推进应用。
技术介绍
气体涡轮用于固定应用和移动应用两者，以用于在陆地、海洋和空中进行功率发生和车辆推进。减少来自所有类型的热发动机的有害排放废气的需求是公认的，并且许多解决方案的基本部分是更高效且更清洁的燃烧系统。在气体涡轮发动机领域，出现了用于液体燃料和气态燃料的燃烧技术，诸如干式低NOx(DLN)燃烧、富油-淬熄-贫油(RQL)燃烧和催化燃烧。催化的解决方案对于氮氧化物的还原仍然是不可超越的，但通常需要某种形式的预燃烧器来维持催化剂高于起燃温度，从而损害排放性能。在地面运输领域，正在向电气化和“零排放”车辆发展，产生了对用于混合动力和增程式电动车辆的小型超净发动机的需求。具有排放后处理的活塞发动机不能匹配配备有催化燃烧器的气体涡轮的近零NOx性能，也不能匹配具有DLN或RQL燃烧器的气体涡轮的近零NOx性能。DLN燃烧器通常可实现约8ppm至10ppm的NOx，而催化燃烧的涡轮将产生约1ppm至2ppm的NOx读数，并且这通常归因于燃料携带的氮，使得催化燃烧器基本上为零NOx。因为回热气体涡轮以比简单循环气体涡轮更贫的燃料/空气混合物运行，所以它们可实现更低的CO排放和未燃烧烃类排放。出于这些原因，当燃烧HC燃料时，回热气体涡轮和催化燃烧的组合提供近零排放(不包括H2O和CO2)。通常，一旦达到稳态操作条件，催化燃烧系统就非常有效地减少由不完全燃烧引起的非期望排放的量。然而，在涡轮或发动机的初始启动期间，排放的量可能高于期望极限。非期望排放的量在启动条件期间通常较高，是因为催化燃烧是依赖于温度的，在较高温度下更高效，并且在启动期间，催化剂不在其最有效的温度下。已经采用了多个策略来解决这个问题，但每个策略在复杂性或有效性方面都是不足的。催化燃烧器的实现方式相对复杂。回热气体涡轮诸如凯普斯通(Capstone)增程器使用DLN燃烧器，并且当以天然气操作时实现低于10ppm的NOx排放。在液体燃料的情况下实现类似排放，但仅添加空气辅助雾化喷嘴，这需要添加单独的空气压缩机。预压缩机燃料喷射在具有常规(非催化)燃烧器的气体涡轮中是不可行的，因为空气/燃料比太贫而不能维持燃烧。燃料通常以使得局部富油区支持连续燃烧的方式喷射到压缩机之后的室中，尽管全局空气/燃料比太贫而不能支持燃烧。另一方面，催化燃烧器可以非常贫的空气/燃料比维持燃烧，使得可在气体涡轮中完全预混合燃料和空气。这使得提供简化和成本降低的新型燃料系统成为可能。US6,302,683公开了一种系统，其中两种催化剂与被加热(包括电加热)的上游催化剂串联联接。应注意，上游单元仅用于启动模式，并且可比下游单元小得多。这减少了系统的电功率需求，但产生了附加复杂性和体积，因为需要两个催化剂芯部之间的锥形扩散器区段。本公开解决了现有技术的缺陷中的至少一些缺陷。
技术实现思路
本公开涉及一种采用催化燃烧的回热气体涡轮发动机系统。更具体地，本公开涉及一种具有催化结构的燃烧器，该燃烧器可在涡轮或与其一起使用的任何其他系统启动之前被电加热到预定温度，以便降低复杂性并在系统启动期间实现减少的排放。电加热可通过以下方式实现：a)电阻元件；b)磁感应涡电流；或c)高频电磁加热(微波)。在一些方面，包括催化燃烧器的系统包括：(a)上游区段，该上游区段包括电加热器，和(b)下游催化剂区段，其中该上游区段和该下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。在一些方面，电阻加热器用作电加热器，并且它是催化燃烧器中或系统中其他地方的唯一点火源。在一些情况下，上游区段和下游催化剂区段整合在单个单元中。催化矩阵(芯部)可为单片(层流)、微晶或湍流设计。通常，上游区段和下游催化剂区段各自包含孔或通道，该孔或通道允许气体或蒸气穿过该上游区段和该下游催化剂区段两者，并且从该上游区段穿过到该下游催化剂区段。在某些方面，上游区段针对低流量启动条件进行优化，并且下游催化剂区段针对运行条件进行优化。在一些方面，上游区段和下游催化剂区段中的孔或通道彼此流体连通并且被构造成使得当处于使用中时，大部分燃烧发生在该下游催化剂区段中。上游区段可不需要催化特性，因此不包含上游催化剂；而下游催化剂区段可包含下游催化剂。上游区段还可包含上游催化剂和/或下游催化剂区段，该下游催化剂区段还可包含下游催化剂。上游催化剂和下游催化剂可以是相同或不同的。上游催化剂或下游催化剂中的一者或两者可包含呈金属或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Ti、V、W、Y、Zn、Zr或它们的组合。回热气体涡轮发动机系统还可包括附加元件，例如以下中的一者或多者：(a)一个或多个混合或火焰保持装置，该一个或多个混合或火焰保持装置定位在上游区段和下游催化剂区段的下游；(b)燃料/空气混合和/或蒸发装置，该燃料/空气混合和/或蒸发装置定位在催化燃烧器上游，被定位成将燃料/空气混合物提供到催化燃烧器中或调节该燃料/空气混合物；(c)压缩机，该压缩机任选地是具有间冷的二级压缩机，被布置成接收空气并压缩该空气；(d)燃料系统，该燃料系统可操作为将燃料供应到压缩机中，使得压缩空气和燃料的混合物能够或从该压缩机排出；(e)涡轮，该涡轮被布置成从催化燃烧器接收如果存在的燃烧气体并且使该气体膨胀以产生机械功率，该机械功率任选地通过一个或多个机械轴驱动压缩机；(f)回热器，该回热器被布置成接收来自涡轮的排气和从压缩机排出的空气或混合物，并且在两者间引起热交换，使得该空气或混合物能够或在进入催化燃烧器之前被预热。本公开还描述了操作所公开的回热气体涡轮发动机系统的方法。在某些方面，该方法可包括：(a)将能量提供到电加热器(例如，电阻加热器)以将上游区段加热到至少等于燃料和空气的混合物的起燃温度的温度，(b)将一定质量流量的空气和燃料的混合物引入到受热上游区段，以便在该受热上游区段中引发催化燃烧，以及(c)增加通过受热上游催化剂的空气和燃料的混合物的质量流量，以便将燃料和空气的燃烧混合物喷射到第二催化剂区段中，该燃烧混合物具有相关联的热量。(d)在燃烧器入口温度达到催化起燃温度之后转变到正常运行模式。这些方法的附加方面包括：维持通过受热上游催化剂的空气和燃料的混合物的增加的质量流量，使得与燃料和空气的燃烧混合物相关联的热量在接触下游催化剂区段时足以将该下游催化剂区段的至少一部分的温度升高至该下游催化剂区段中的燃料和空气的混合物的点火温度。在此类情况下，维持增加的质量流量可提供基本上整个下游催化剂区段加热到燃料和空气的混合物的点火温度，使得该燃料和空气的混合物在穿过其中时在整个下游催化剂区段中燃烧。一旦引发了该燃烧，就可根据系统的要求以组成和/或流速中的一者或两者来调节空气/燃料的流动。一旦实现了自持燃烧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种系统，所述系统包括具有催化燃烧器的回热气体涡轮发动机，所述催化燃烧器包括：/n(a)上游区段，所述上游区段包括电加热器，和/n(b)下游催化剂区段，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181113 US 62/760,4521.一种系统，所述系统包括具有催化燃烧器的回热气体涡轮发动机，所述催化燃烧器包括：
(a)上游区段，所述上游区段包括电加热器，和
(b)下游催化剂区段，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段设置成彼此相邻并流体连通。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述上游区段还包括上游催化剂。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，所述下游催化剂区段还包括下游催化剂。


4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，包括所述电加热器的所述上游区段是所述催化燃烧器中的唯一引发源，并且不需要其他源或点火系统。


5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段整合在单个单元中。


6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段中的任一者或两者为层流微通道矩阵。


7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段各自包含孔或通道，所述孔或通道允许气体或易燃混合物穿过所述上游区段和所述下游催化剂区段两者。


8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述上游区段中的孔或通道大于所述下游催化剂区段中的孔或通道。


9.根据权利要求7或8所述的系统，其中，所述上游区段和所述下游催化剂区段中的所述孔或通道具有相关联的表面积，并且所述上游区段的所述孔或通道表面积与所述下游催化剂区段的所述孔或通道表面积的比率在2％至50％、优选地5％至20％的范围内。


10.根据权利要求3所述的系统，其中，所述上游催化剂不同于所述下游催化剂。


11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述上游催化剂或所述下游催化剂中的一者或两者独立地包括包含呈金属或氧化物形式的Ag、Au、Cu、Co、Cr、Fe、Ir、Mo、Mn、Ni、Pd、Pt、Rh、Sc、Ti、V、W、Y、Zn、Zr或它们的组合的催化剂。


12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述催化燃烧器还包括定位在所述下游催化剂区段下游的一个或多个混合和/或火焰保持装置。


13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，包括：燃料/空气混合和/或蒸发装置，所述燃料/空气混合和/或蒸发装置定位在所述催化燃烧器上游，被定位成将燃料/空气混合物提供到所述催化燃烧器中或调节所述燃料/空气混合物。


14.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括：
(a)压缩机，所述压缩机被布置成接收空气并压缩所述空气；
(b)燃料系统，所述燃料系统能够操作为将燃料供应到所述压缩机中，使得压缩空气和燃料的混合物能够或从所述压缩机排出；
(c)涡轮，所述涡轮被布置成从所述催化燃烧器接收如果存在的燃烧气体并且使所述气体膨胀以产生部分地驱动所述压缩机的机械功率；
(d)热交换器或“回热器”，所述热交换器或“回热器”被布置成接收来自所述涡轮的排气和从所述压缩机排出的空气或混合物，并且在两者间引起热交换，使得所述空气或混合物能够或在进入所述催化燃烧器之前被预热。


15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述压缩机和所述涡轮由轴机械地联接，并且/或者其中所述压缩机是一级、二级或多级压缩机。


16.根据权利要求14或15所述的系统，其中，所述压缩机是二级压缩机，并且在压缩机级之间具有间冷。


17.一种移动式陆地、工业、商业、海洋或空中功率发生器，所述移动式陆地、工业、商业、海洋或空中功率发生器包括根据权利要求1至16中任一项所述的系统。


18.一种移动式陆地、海洋或空中车辆，所述移动式陆地、海洋或空中车辆包括根据权利要求1至16中任一项所述的系统作为推进装...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·卡彭特，G·钱德勒，J·吉登尼，S·赫林，C·摩根，T·奥康奈尔，M·威尔克斯，
申请(专利权)人：庄信万丰股份有限公司，德尔塔汽车运动公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB