氧燃料燃烧过程中的火焰控制的制作方法

1.本公开涉及氧燃料燃烧过程中的火焰控制。更具体地说，本公开提供了一种用于发电的氧燃料燃烧的系统和方法。


背景技术：

2.在氧燃烧循环中，希望在整个系统的温度和压力升高到燃烧器内的火焰很容易维持的点之前促进并维持点火。因此，在燃烧器至少达到必要的温度之前，火焰可能非常不稳定。此外，一旦实现点火，火焰必须在系统暂态期内保持点燃，该系统暂态期可能涉及在低温下的长时间运转。在这些低温下，很难保持火焰不熄灭。
3.已经考虑了在燃烧器中点火的各种方法。在燃气轮机中使用了火花点火器，但是这种元件在高压氧燃料系统中的适用性是有问题的，因为火花点火器本身被认为在高压下容易发生故障，这可能因部件释放到循环中而对动力循环造成损害。还已知的是，仅在常规燃气轮机的初始启动阶段使用火花点火器，从而在点火后从燃烧器中取出点火器。同时，已知的是，在某些飞机燃烧器中，使用连续点火器工作方式来防范熄火的危险或提高在熄火时重新点火的可能性。但是，用高压氧燃料燃烧系统实现这种方案所增加的复杂性使得该方案不切实际。激光点火系统近来在已知的燃烧系统中得到了普及，但是在装置的布置和为了引发点火必须提供给激光器的功率方面存在潜在的问题。此外，激光器需要一条通向燃烧室的中心的光路，并且这可能在使用诸如蓝宝石窗口等选项时导致复杂性和潜在的故障点。此外，在测试火箭发动机时使用了自燃化学物质，虽然这种自燃化学物质在实现点火方面是高能的，但是化学反应的产物是固体，这对于在闭式动力循环中使用是不可接受的，在闭式动力循环中，固体可能会污染燃烧器本身、涡轮和/或热交换器。在燃气轮机中利用空气作为氧化剂的系统中，公认的是，nox物质的存在可有助于促进燃烧过程。但是，由于关于nox排放的规定，有目的地将nox物质添加到向大气排放的燃烧过程中仍然是不利的。
4.这些已知的潜在点火源不足以在与本问题相关的许多情况中使用，这还因为它们仅解决了在燃烧器内发生点火的空间点问题，而没有解决进入燃烧器内的总物流参数问题。改善或调节进入燃烧器的体积流量以及与系统的启动相关的其它总体因素能够对包括燃烧在内的多个过程产生积极影响。例如，在许多情况下，希望在维持火焰的同时还使设备的其余部分以很慢的速度升温，该升温速度比点火时经历的温度变化慢得多。在这种情况下，除了仅提供点火火花之外，还需要更稳健、更全面的解决方案。
5.除了上述考虑之外，在化学反应中添加附加的催化剂以确保反应持续进行并降低引发反应的能量障碍是很常见的。这可通过在反应区中包含固体催化剂或促进剂或者通过在连续过程中提供在工艺流中自由流动的附加催化剂或促进剂流来进一步实现。为此，如上文所述，先前已经发现，在利用空气作为氧化剂的火焰中添加nox能促进燃烧，但是关于nox排放的规定和防止这种排放的重要要求使得该方案成为一种不切实际的方案。因此，在本领域中仍需要促进启动和/或维持氧燃料燃烧过程的改良燃烧过程和系统。


技术实现要素：

6.本公开提供了一种适合于改善发电设备的启动和持续运转的系统和方法。所述系统和方法可在各种发电循环中实施，并且特别有益于预定在高压下进行的氧燃料燃烧循环。
7.在一个或多个实施例中，本公开可提供一种用于在发电设备的燃烧器中传播火焰的方法。在本文中所用的“传播火焰”或“火焰传播”指用于提高初始点燃火焰的能力的措施和/或部件，该措施和/或部件例如在发点设备的启动期间用于提高熄火后重新点燃火焰的能力，和/或维持火焰并避免熄火，例如在燃烧器温度低于正常运转条件和/或发电设备的功率输出低于正常运转的功率输出时的运转期内(例如在暂态期内)。低于正常运转参数的运转期可被定义为以低于发电设备的正常功率输出运转时的典型温度的90％、80％、75％、60％或50％的燃烧器温度运转。类似地，暂态期可被定义为发电设备以低于其在正常条件下运转时的功率输出的90％、80％、75％、60％或50％的功率输出运转。在这种条件下，燃烧器中的火焰可能更容易熄灭，并且在这种条件下火焰点燃可能变得更困难。因此，本公开提供了一种改善火焰传播的方法和系统，火焰传播的改善由火焰点燃或重新点燃更容易和/或抗熄火能力更强得以证明。
8.在一些实施例中，根据本公开的方法可包括：向燃烧器输入具有限定的自燃温度的燃料；进一步向燃烧器输入至少一非燃料流；以及充分加热所述至少一非燃料流，使得进入燃烧器的流的总流量处于比燃料的自燃温度高或比燃料的自燃温度低不超过20％的温度；其中加热所述至少一非燃料流利用不是源自燃烧的热量进行。在一个或多个实施例中，所述方法还可结合一条或多条以下陈述来限定，这些陈述可按任何数量和顺序来组合。
9.所述方法可在发电设备启动时或在发电设备运转中的暂态期内实施。
10.发电设备的启动或发电设备运转中的暂态期可相对于以低于正常运转功率输出的75％的功率输出运转的发电设备限定。
11.所述非燃料流可以是氧化剂流、工作流体流、稀释剂流和水/蒸汽流中的一种或多种。
12.加热所述至少一非燃料流可包括使用一个或多个管线加热器加热流向燃烧器的非燃料流所通过的管线的至少一部分。
13.所述一个或多个管线加热器可被配置成接收加热的流，以将来自其的热量传递给管线。
14.加热所述至少一非燃料流可包括直接加热所述至少一非燃料流。
15.直接加热所述至少一非燃料流可包括压缩所述至少一非燃料流。
16.加热所述至少一非燃料流可包括使所述至少一非燃料流与单独加热的流相对地通过热交换器。
17.所述至少一非燃料流可通过包括分支管线的管线输入到燃烧器中，所述分支管线可与所述管线隔离。
18.加热所述至少一非燃料流可包括加热分支管线的至少一部分。
19.可利用一个或多个阀门将所述分支管线与所述管线隔离，所述阀门选择性地允许或不允许所述至少一非燃料流流过所述分支管线。
20.所述方法还可包括可控地运转存在于燃烧器或其燃烧室内的加热部件。
21.可控制所述加热部件，使得在进入燃烧器的流的总流量的温度低于燃料的自燃温度时，该加热部件有效于增加足够的热量，使得燃烧器或燃烧室内的总温度等于或高于燃料的自燃温度。
22.所述方法还可包括将包含至少一种nox物质的化学催化剂以足以降低在燃烧器或其燃烧室中获得或维持火焰所需的活化能水平的量输入到燃烧器中。
23.在一个或多个实施例中，本公开可提供一种发电设备。这种设备可被配置成表现出对火焰传播的改良控制，如在本文中另外所述。例如，所述发电设备可包括：燃烧器；燃料管线，其被配置成向燃烧器输入具有限定的自燃温度的燃料；至少一输入管线，其被配置成向燃烧器输送至少一非燃料流；与燃烧器流体连通的涡轮机；以及至少一加热器，其与所述至少一输入管线可操作地布置在一起，以充分加热所述至少一非燃料流，使得进入燃烧器的流的总流量处于等于或比燃料的自燃温度高或比燃料的自燃温度低不超过20％的温度。在进一步的实施例中，所述发电设备可结合一条或多条以下陈述来限定，这些陈述可按任何数量和顺序来组合。
24.所述燃烧器还可包括位于燃烧器内或其燃烧室内的加热部件。
25.所述加热部件可被配置成向燃烧器或燃烧室提供加热，该加热独立于来自进入燃烧器的流的总流量的加热。
26.所述加热部件可以是电阻加热器。
27.所述加热部件可以是可控的，使得在进入燃烧器的流的总流量的温度低于燃料的自燃温度时，该加热部件有效于地增加足够的热量，使燃烧器内的总温度高于燃料的自燃温度。
28.所述至少一个加热器可以是管线加热器。
29.所述管线加热器可被配置成接收加热的流，以将来自其的热量传递给管线。
30.所述至少一个加热器可包括压缩机。
31.所述至少一个加热器可包括热交换器，所述至少一非燃料流可与加热的流相对地通过该热交换器被加热。
32.所述至少一输入管线还可包括可与所述至少一输入管线隔离的分支管线，并且其中所述至少一加热器位于该分支管线上。
33.可利用一个或多个阀门将所述分支管线与所述至少一输入管线隔离，所述阀门选择性地允许或不允许所述至少一非燃料流流过所述分支管线。
34.在一个或多个实施例中，一种用于在发电设备的燃烧器中传播火焰的方法可包括：将燃料输入到燃烧器中；将氧化剂输入到燃烧器中；以及将包含至少一种nox物质的化学催化剂以足以降低在燃烧器或其燃烧室中获得或维持火焰所需的活化能水平的量输入到燃烧器中。在另一些实施例中，这种方法可进一步结合一条或多条以下陈述来限定，这些陈述可按任何数量和顺序来组合。
35.所述包含至少一种nox物质的化学催化剂可与燃料和氧化剂中的一种或这两者组合地输入到燃烧器中。
36.所述方法还可包括至少使氨在反应器中反应以产生所述至少一种nox物质。
37.包含所述至少一种nox物质的化学催化剂的输入在所述发电设备的运转期间可以是基本连续的，并且其中，所述方法还可包括根据所述发电设备的一个或多个其它运转参
数的变化调节包含所述至少一种nox物质的化学催化剂的含量。
38.包含至少一种nox物质的化学催化剂的输入可一直进行，直到达到限定的阈值。
39.所述限定的阈值可以是燃烧器运转温度或发电设备的功率输出。
40.所述包含至少一种nox物质的化学催化剂可按足够的量输入，使得存在于从燃烧器排出的废气流中的至少一种nox物质的量为大约5ppm至大约1000ppm。
41.根据本公开的发电设备可包括：燃烧器；涡轮机或膨胀器，其与燃烧器流体连通并被布置成接收来自燃烧器的排气；以及多条管线，其被配置成将至少一种燃料、氧化剂和包含至少一种nox物质的化学催化剂输入到燃烧器中。在进一步的实施例中，所述发电设备还可包括反应器，该反应器被配置成至少接收氨并输出包含所述至少一种nox物质的流。
附图说明
42.图1示出了根据本公开的示例性实施例的发电设备的流程图，该发电设备被配置成实施如本文所述的用于在其燃烧器中传播火焰的一种或多种功能和/或部件。
43.图2示出了根据本公开的示例性实施例的用于传播火焰的系统和方法中使用的燃烧器和相关部件。
44.图3示出了根据本公开的示例性实施例的系统和方法中使用的输入管线和管线加热器的一部分。
45.图4至图4b是示出根据本公开的示例性实施例的物流在被输送到燃烧器时从物流源流过一个或多个加热器从而该物流被加热的部分流程图。
46.图5示出了用于根据本公开的示例性实施例的系统和方法中的输入管线的一部分，该输入管线包括分支管线，该分支管线具有与其相关联的管线加热器。
47.图6示出了根据本公开的示例性实施例的用于至少通过化学催化剂的输入传播火焰的系统和方法中使用的燃烧器和相关部件。
具体实施方式
48.现在将在下文中参照本主题的示例性实施例更全面地说明本主题。说明这些示例性实施例的目的是为了彻底和全面地解释本公开，并向本领域技术人员全面传达本主题的范围。实际上，本主题可按许多不同的形式来实施，并且不应被解读为限于在本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例的目的是为了使本公开满足相关法规的要求。除非在上下文中另行明确规定，否则在本说明书和所附权利要求中使用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。
49.在一个或多个实施例中，本公开涉及一种用于改进被配置成在发电系统中工作的至少一个燃烧器的操作的系统和方法。这种系统尤其可被配置成用于进行氧燃料燃烧循环，并且所公开的系统和方法尤其可用于改进发电系统的运转。作为非限制性的示例性实施例，本公开能有效地促进燃烧器(尤其是所述发电系统中的燃烧器)内的点火、燃烧和火焰稳定性之中的一种或多种。此外，在燃烧器点火之前和之后的时刻，本公开能有效地在设施的各个区域保持适当的整体温度。在一些实施例中，当发电系统(具体而言是燃烧器)在启动时和/或燃烧器在比正常运转温度低的温度下工作的任何时间运转时，尤其可实施本文所述的改进。
50.在本文中所用的正常运转温度尤其指在发电设备以满功率运转时燃烧器的典型运转温度(
±
10％)。例如，氧燃料燃烧过程(例如在第8,596,075号美国专利中说明的氧燃料燃烧过程，该专利的公开内容通过引用结合在此)可具有800℃左右的正常运转温度。因此，根据发电系统的具体构造，正常运转温度可在大约600℃至大约1000℃的范围内，或者在大约600℃至大约900℃的范围内，但是这样的温度范围并非旨在限制实施本文所公开的各种实施例的能力。此外，所选择的确切温度会取决于燃料的预期自燃温度范围、以及所期望的通向下游工况的入口的工况。但是，重要的是要认识到，在发电设备启动时，不能立即达到正常运转温度。相反，必须使发电循环的运转从环境温度上升到正常运转温度。同样，在某些情况下，可能希望将循环温度降到显著低于正常运转温度而不完全关停循环，以进行维护或用于其它目的。这样降低的运转温度的时间可被称为暂态期。
51.如上文所述，在启动时，可能难以在燃烧器内(或者更具体地说在燃烧室内)实现稳定的火焰。此外，当循环温度在暂态期间降低时，火焰可能再次变得不稳定。本公开通过实施在本文中进一步说明的一种或多种特征提高了实现燃烧器启动的能力和/或提高了在降低的运转温度期间维持稳定的燃烧器火焰的能力。因此，本公开特别涉及当发电设备处于启动时或当发电设备在正常运转条件(例如燃烧器温度和/或设备的功率输出)下运转时在发电设备的燃烧器中传播火焰。
52.如上文所述，本公开提供了可用现有的发电系统和方法或者未来的系统和方法实施的改进，这些系统和方法利用燃料与氧化剂一起燃烧以形成排气流的燃烧器、燃烧室或类似元件。本公开可通过添加一个或多个另外的部件和/或通过向燃烧部件添加一个或多个输入来补充这种配置。在使用现有的发电循环实施本公开时，该发电循环的其它部分可保持基本不变。
53.图1中示出了适合于执行根据本公开的发电过程的示例性发电设备100。在图中能够看到，燃烧器120被配置成接收通过管线109的燃料、通过管线103的氧化剂和通过管线184的稀释剂。所述氧化剂可以是空气流和/或基本上纯净的氧气，该氧气例如可使用适合于从空气流101形成氧气的空气分离单元102来形成。空气分离单元102可包括必要的压缩设备，以提供具有期望的压力的氧化剂，或者可在空气分离单元102与燃烧器120之间的管线中提供单独的压缩机。同样，如果需要，可存在与燃料管线109连接的可选的压缩机，以在燃料进入燃烧器120之前将燃料压缩至期望的压力。所述稀释剂可以是任何适当的材料，例如水(例如蒸汽)、二氧化碳等。如图所示，再循环的二氧化碳流通过管线184进入燃烧器120，以作为稀释剂流工作。在一些实施例中，可抽取来自管线184的再循环的二氧化碳流的一部分并将其与管线103中的氧化剂流合并，以形成具有所需的o2/co2比的稀释氧化剂流。
54.燃料在燃烧器120中与氧气一起燃烧，从而形成燃烧器排气流130，该燃烧器排气流130通过涡轮机135或其它膨胀器，该燃烧器排气流在膨胀器中膨胀，以在发电机136中产生电力。涡轮机排气流137通过热交换器140，在热交换器140中被冷却从而形成物流142，该物流142在冷却器144中被进一步冷却至接近环境温度。冷却的涡轮机排气流146然后在水分离器150中被处理从而提供水流152(若在源自燃料或可添加到燃烧器120中的任何添加剂的排气流130中存在sox和/或nox物质，则水流152可能包含一定含量的硝酸和/或硫酸)。基本上纯净的二氧化碳流155离开分离器150，并在压缩机160中被压缩从而形成中间压缩流165。中间压缩流165在冷却器170中被冷却，以提高二氧化碳的密度，并形成密度增加的
二氧化碳流171，该密度增加的二氧化碳流171在泵175中被泵送成高压，以输入到燃烧器120中。可从高压二氧化碳流177中抽取二氧化碳产物流180，以留下二氧化碳再循环流182，该二氧化碳再循环流182通过热交换器140返回，以被涡轮排气流137加热。加热的再循环二氧化碳流184然后被送回燃烧器120，以用作稀释剂。发电设备100可包括有控制单元190，并且该控制单元190可被配置成接收一个或多个输入192并提供一个或多个输出191，这些输出191能够有效地实现发电设备的一种或多种特征的自动控制。
55.在正常运转期间，燃烧器120可在相当高的温度下运转，从而保持火焰稳定性，并且不会经常遇到熄火等问题。但是，在启动时或暂态期内，可能难以实现或维持点火和/或火焰点燃。
56.在一个或多个实施例中，这样的问题可通过在发电设备中的一个或多个点处包括一个或多个具有适当规格和产热能力的管线加热器来解决。在运转期间，可使用加热器将一条或多条管线中的物流的温度升高到高于正在燃烧器中燃烧的燃料的自燃点，从而不需要单独的点火源。例如，基本上纯净的甲烷的自燃温度大约为600℃，这一温度可通过多种加热技术来达到，包括回收加热、燃烧加热、机械加热(例如压缩热)等。因此，在达到适当的温度时，在氧化剂存在的情况下，燃料会在燃烧器或燃烧室内自燃。保持高于燃料的自燃点赋予了火焰稳定性，否则这必须通过空气动力学方式来实现，而如果循环压力和温度过低，那么这将是不可能的。因此，可实施加热，以在燃烧器和/或燃烧室内达到目标温度。这种目标温度通常会高于正在燃烧的燃料的自燃温度，例如可比燃料的自燃温度高至少2％、至少5％、至少10％、至少20％或至少25％。虽然没有要求，但是可对加热进行限制，使得目标温度比燃料的自燃温度高不超过100％。例如，目标温度可比燃料的自燃温度高大约2％至大约75％，大约3％至大约60％，大约4％至大约50％，或大约5％至大约25％。在一些实施例中，这种目标温度可指燃烧器或燃烧室内的温度。在其它实施例中，这种目标温度可指通过输入管线输送到燃烧器的物流的温度(例如在紧邻燃烧器的上游位置测量的物流温度)。
57.在一些实施例中，可对至少一非燃料流进行加热，使得进入燃烧器的总物流处于比燃料的自燃温度高或比燃料的自燃温度低不超过20％的温度。在进入燃烧器的总物流的温度高于燃料的自燃温度时，火焰更容易传播，并且能避免熄火。但是，在一些实施例中，在进入燃烧器的总物流的温度低于燃料的自燃温度时，能够按照本公开进行操作，前提是同样采取附加措施以另行增加燃烧器或燃烧室内的活化能。例如，如本文中进一步所述，可向燃烧器输入化学催化剂和/或可直接在燃烧器或燃烧室中包括加热部件。在这样的实施例中，在进入燃烧器的总物流的温度比燃料自燃温度低不超过20％、不超过15％、不超过10％或不超过5％的情况下，可进行操作。这样的范围能使燃烧器中的加热足以使得用于增加活化能的添加方法能够克服进入燃烧器的加热流的不足。
58.可按多种方式加热被输送至燃烧器/燃烧室的一个或多个物流。在一些实施例中，可布置与通向燃烧器或燃烧室的一条或多条输入管线连通的一个或多个加热器。例如，图2示出了包括燃烧室222的燃烧器220，该燃烧室222被配置成接收流过燃料管线209的至少一种燃料。还示出了输入管线205，并且输入管线205可用于输入来自物流源206的任何其它材料。来自物流源206的通过管线205的物流可包括燃料燃烧所需的和/或可用于管理燃烧的和/或可用于向离开燃烧器220的排气流230提供材料的任何材料。这种材料可被称为非燃料流，以区别于燃料流。此外，虽然在图2中仅示出了一条输入管线205，但是应理解，包括燃
料管线209，燃烧器220可包括两条、三条、四条、五条或甚至更多条输入管线。如在本文中进一步所述，可加热任何数量的输入管线。同样，可将用于向燃烧器220提供如本文所述的材料的任何输入管线明确地排除在附加的加热之外。
59.以下是可通过输入管线205(可通过一种或多种方式对其加热，如在本文中另外所述)单独或任意组合地提供至燃烧器220的材料的示例性实施例：氧化剂流；燃料流；稀释剂流；工作流体流；冷却剂流；和/或水或蒸汽流。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线和工作流体管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线和稀释剂管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线和冷却剂管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线和水/蒸汽管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线、工作流体管线和稀释剂管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线、工作流体管线和冷却剂管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线、工作流体管线和水/蒸汽管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线、稀释剂管线和冷却剂管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线、稀释剂管线和水/蒸汽管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。在一些实施例中，燃烧器220可被配置成包括燃料管线、氧化剂管线、冷却剂管线和水/蒸汽管线，其中所述管线中的一条或多条被如本文所述地加热。
60.在一些实施例中，所述被加热的物流具体可包括氧气和二氧化碳中的一者或两者。在对氧化剂流加热时，氧化剂的目标加热温度可根据需要变化，以提高与氧化电位成函数关系的反应活性，该氧化电位包括氧的分压。燃料的量以及氧化剂的量还可能受到可能存在于再循环流中的残余氧或氧化化合物的影响，如果该残余氧或氧化化合物直接与火焰区或附近的燃烧活动相互作用的话。
61.如图2所示，管线加热器207与输入管线205相关联，以提供有效的加热，从而将通过输入管线的物流加热到超过在管线209内被输入到燃烧器中的燃料的自燃温度的温度。管线加热器207可以是单个加热器，也可作为多个加热器(207a、207b)提供。虽然在图2中示出了两个加热器(207a、207b)，但是应理解，可根据需要在单条输入管线上使用任何数量的加热器，并且各个加热器(甚至在相同的输入管线上的加热器)可采用同一个热源和/或加热类型，或者可采用不同的热源和/或加热类型。
62.在一个或多个实施例中，用于加热一条或多条输入管线的一个或多个管线加热器可被配置成对管线本身加热。例如，图3示出了用于将物流输入到燃烧器中的输入管线305的一部分，并且该输入管线包括管线加热器307，该管线加热器307被构造成包裹、环绕或包围限定输入管线的壁的外表面305a的至少一部分。输入管线305通常被构造为导管或类似的管道，其具有由适合于在发电设备中的输入管线所需的温度和压力条件下工作的金属(例如不锈钢)或类似材料形成的外壁。由于这种材料通常是相当好的热导体，因此与输入
管线的外表面305a直接接触的管线加热器307能有效地通过限定管线的壁传递热量，从而加热流过管线的内部空间的物流。因此，输入管线305包括沿着管线加热器307与燃烧器220之间的输入管线的任何部分的至少一部分的一个或多个绝热层305b可能是有益的。由此，传递给从其中通过的材料的热量会被保持在物流中，直到物流被输入到燃烧器。被配置成与输入管线壁的表面直接接触以通过管线壁将热传递给物流的管线加热器可沿着输入管线的限定长度与该输入管线相关联。例如，参考图2，输入管线205可具有按物流源206与燃烧器220之间的长度测量的总长度。在各种实施例中，管线加热器(207、307)可沿着占特定输入管线的总长度的大约1％到大约99％的任何部分存在。在一些实施例中，具体的相对长度可取决于所使用的热源的性质。例如，在使用高级热源时，管线加热器(207、307)可涵盖输入管线(205、305)的总长度的大约5％至大约60％、大约5％至大约50％、大约10％至大约40％、或大约15％至大约35％。在使用低级热源时，管线加热器(207、307)可涵盖输入管线(205、305)的总长度的大约25％至大约95％、大约25％至大约90％、大约30％至大约80％、或大约35％至大约75％。
63.高级热源可以是在等于或高于(例如高至少5％、至少10％、至少20％或至少30％)目标温度的温度下提供热量的热源。低级热源可以是在低于目标温度的温度下(例如优选在目标温度的50％以内、30％以内、20％以内或10％以内)提供热量的热源。目标温度是如上所述的温度，并且可指燃烧器内的期望温度，或者可指输入管线内的期望物流温度。在一些实施例中，例如在对多条不同的输入管线单独加热的实施例中，可能期望将相应的物流加热到不同的目标温度。例如，在使用氧化剂管线和稀释剂管线时，可能希望将稀释剂管线加热到比氧化剂管线更高的温度。加热还可根据流过给定管线的总质量流而变化，并且可将提供较大质量流的输入管线加热到与提供较小质量流的单独输入管线不同的目标温度，从而适当地调节燃烧器内的温度，使得燃烧器或燃烧室内的温度超过燃料的自燃点。这样，可将第一、第二、第三或更多物流加热到相应的第一、第二、第三或更多目标温度，从而可根据物流的相应温度、物流的相对质量流以及本领域技术人员能认识到的类似因素适当地达到燃烧器目标温度。这种变化性能允许利用不同的热源将各个输入管线加热到适当的目标温度，以达到超过燃料的自燃温度的燃烧器目标温度。
64.再次参考图3，管线加热器307可以是适合于向输入管线提供所需的加热的任何类型的加热器。如图所示，管线加热器307可被配置为具有加热流体入口311a和加热流体出口311b的循环加热套，从而可从热源313接收高温传热流体312a，并且可将热量耗尽的传热流体312b再循环回到所述热源以进行再次加热。热源313可以是在期望的温度范围内有效地产生热量的任何部件或单元。例如，参考图1，asu 102、热交换器140、压缩机160和冷却器(144、170)均可适合于产生热量，该热量可由传热流体收集，以传递至输入管线加热器(207、307)。例如，所述asu可包括一个或多个用于压缩空气的压缩机，该压缩机能产生足够的热量以传递至管线加热器(207、307)。同样，可根据需要在各种温度范围内从热交换器140获取热量，并且可利用工作流体(例如二氧化碳)或任何通常使用的传热流体作为循环流体，以将热量传递至管线加热器。
65.在一些实施例中，可实施所利用的加热，使得物流本身被直接加热，而不是通过管线的壁将热量传递给物流。如果需要，可与如上文所述的管线加热器的使用相结合来使用物流的直接加热。因此，在这样的实施例中，可为至少一个加热单元使用低级加热。例如，可
使用较低级的热源直接加热物流，然后可在管线加热器中使用较高级的热源将该物流进一步加热至目标温度。通过用直接物流加热器有效地预热，管线加热器可以更小和/或需要更少的总能量来达到目标物流温度。
66.在图4a中示出了直接加热的使用。在该图中能够看到，物流(例如氧化剂、工作流体、稀释剂或水/蒸汽)可从物流源406通过第一物流管线404输送到加热器407，在该加热器中，可通过任何适当的方法直接加热物流。因此，加热的物流通过第二物流管线405离开，以输入至燃烧器420。如前文所述，第二物流管线405可包括管线加热器，以提供进一步加热。替代地或另外地，在加热器407中直接加热之前，可与第一管线404结合使用管线加热器，以进行增量加热。
67.直接加热器407可以是被配置成对流过其中的流体物流加热的任何部件。在一个示例性实施例中，如图4b所示，该加热器特别可以是压缩单元407b，该压缩单元407b被配置成对物流进行压缩，从而对其进行加热。压缩单元407b可包括一个压缩机或多个压缩机。优选地，压缩单元407b运转没有中间冷却，从而基本上所有的压缩热量都能传递给被压缩的物流。但是，若压缩有效地将物流的温度提高到高于期望的温度，则可利用中间冷却，并且可将通过中间冷却抽取的热量499传递至发电循环中的另一个加热器和/或发电循环中的另一物流，以提高整个发电循环的效率。在另一个示例性实施例中，如图4c所示，加热器具体可以是热交换单元407c，该热交换单元407c被配置成将热量从较高温度的物流传递至从物流源406流过第一流管线404的物流。可从热源(参见图3中的元件313)接收高温传热流体412a，并且可使热量耗尽的传热流体412b再循环回到所述热源，以进行再加热。所述热源再次可以是在期望的温度范围内有效产生热量的任何部件或单元。热交换单元407c和压缩单元407b仅是示意性的，不应被视为对可利用的加热单元的类型的限制。此外，使用一个直接加热器不限制使用另一个直接加热器，并且可独立于任何管线加热器或与一个或多个管线加热器组合使用直接加热的组合。
68.如本文所述的用于加热物流的加热部件可直接构造在管线中，从而使用该加热部件对流过该加热部件(或输入管线的一部分)的物流进行加热。在这样的实施例中，加热器可被配置成在运转期间自动或手动地调节。例如，由加热器提供的热量是可调的，以允许根据需要增加和/或减少加热。同样，可根据需要在一个或多个运转阶段中关断加热器。例如，可使加热器在发电设备的启动期间和/或在暂态期内在第一温度范围内运转以避免熄火，并且可在给定时间段内逐渐或逐步地减少加热器的加热输出，或者可在不再需要加热时简单地关断加热器，例如在发电设备在正常条件下运转时。如图1所示，可在发电设备100中包括控制器190，并且该控制器可被配置成在接收一个或多个输入192的基础上提供一个或多个输出191。例如，可在发电设备中包括一个或多个传感器(例如温度、压力、流速等)，并且所述传感器可被配置成向控制器190提供相应的输出，控制器190又可提供一个或多个输出，以自动调节由一个或多个加热器207进行的加热。类似地，在对多个物流实施加热时，可使用所述输入和输出来控制各个加热器的热输出，并且还控制流过向燃烧器导引物流的输入管线的流量。如图2所示，温度传感器t1、t2、t3可布置在各种位置，例如靠近物流源206或其出口、给定加热器207的上游、以及给定加热器的下游。因此，来自控制器190的输出可控制一个或多个阀门、分流器等的开启和关闭，以控制流过给定输入管线的质量流和/或控制换热流体穿过加热器的流动，和/或进行可影响燃烧器220中的温度的进一步操作。此外，在
燃烧器220(或燃烧室222)中可设有温度传感器225或类似装置，以确保其中的温度在目标温度范围内。
69.在一些实施例中，加热的控制可利用各种阀门、分流器等，以允许根据需要使一个或多个加热器旁路。这能允许在加热部件中使用不一定满足燃烧器的正常运转的一种或多种要求的材料。例如，在启动期间、暂态期内等，在较低压力下运转是可能的。此时，可在能够用于较低压力下的运转的替代路径中布置在这种运转期间所需的加热器，而在达到正常运转时，可将流动切回到主输入管线。
70.例如，图5示出了根据一些实施例的配置，其中输入管线505包括分支管线505a，并且加热器507与分支管线相关联。可包括一个或多个阀门，使得流过输入管线505的物流可通过分支管线505a。在输入管线505中有阀门508，在加热器507上游和下游的分支管线505a中分别有阀门518a和518b。应理解，根据需要，在发电设备中的任何位置可设有类似的阀门或等效部件，以将物流流动导引至适当的部件。同样，可使用来自控制器190的输出信号191中的一个自动控制阀门508、518a和518b(或类似部件)中的任何一个，并且这些阀门的开启和关闭可取决于控制器接收到的特定输入信号192。应理解，附图中所示的阀门同样可在本公开的任何实施例中实施。例如，图3中的用于使传热流体通过的管线311a和311b可根据需要包括阀门。类似地，应理解，图5所示的实施例包括用于使传热流体通过的类似管线。加热过程的控制也可使用电加热器来实现，由此控制提供给加热器的功率，以保持期望的过程设定点，例如液流温度、部件温度或期望的输出。
71.在一个或多个实施例中，可认为用于加热被导引至燃烧器的输入物流的热量是外部加热或发电循环外部的热量。可认为这种加热是在发电循环外部的，因为这样提供的加热不是直接源自燃烧物流。此外，可认为这种加热对于发电循环是附加的，因为这种加热是除了由燃烧器中的燃料燃烧提供的热量和可从回热式热交换器传递的热量之外附加利用的。当然，如果需要，所述加热也可(至少部分地)利用内部加热。例如，参考图4c，热交换器407c可与发电循环的热交换器140相同或者是其一部分，或者，通过管线412a输入到热交换器407c的物流可从发电循环的热交换器140传热。因此，如本文所述，能够选择是使用内部加热还是使用外部加热，或者选择是否组合加热源来加热向燃烧器输入的物流。
72.在一个或多个实施例中，作为在本文中另外所述的加热方法的替代或补充，可在燃烧器或燃烧室内直接提供附加的加热。例如，这种加热可通过在燃烧器或燃烧室内提供适于或配置成提供恒定或基本恒定的加热的一个或多个元件来实现。优选这种基本恒定的热源可独立于气体传热从外部供应。例如，如图1所示，在燃烧器220内(并且，在一些实施例中，在其燃烧室222内)设有加热部件226。这种加热部件的一个非限制性例子是电阻线圈(例如加热塞或类似部件)，该电阻线圈可以是电力驱动的或以其它方式驱动的，由此可独立于用于传热的气体流量向燃烧器提供加热。
73.当存在这种加热部件时，可进行发电设备的操作，尤其是燃烧器的操作，从而可控地操作加热部件。这可包括通过一个或多个输出191和输入192利用控制器190。例如，可控制加热部件226，从而在进入燃烧器的总物流的温度低于燃料的自燃温度时，该加热部件有效地增加足够的热量，使得燃烧器或燃烧室内的总温度高于燃料的自燃温度。通过直接提高燃烧器或燃烧室内的温度，该加热部件能够增加其中所需的活化能，以弥补不是通过进入燃烧器的加热物流提供的加热的任何不足。
74.从上文能够看出，本公开由此提供了适合用于稳定发电循环的燃烧器中的火焰和/或改善燃烧器中的火焰点燃的部件及其使用方法。除了前述公开内容之外或者作为前述公开内容的替代，本公开还提供了通过添加作为催化剂的一种或多种化学物质来提供类似益处的部件及其使用方法。特别地，本公开提供了一种利用一种或多种nox物质来促进氧燃料系统中的火焰点燃和/或稳定化的方案，在该氧燃料系统中，可提供少量nox物质，并且优选地，在将排放物向管道排放或排气之前对任何废气进行化学接触处理，以去除nox。
75.可通过下面所示的一种或多种途径有利地促进存在nox物质时的燃烧。
76.ho2 no＝no2 oh
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
77.ch3oo no＝ch3o no2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
78.ch3 no2＝ch3o no
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
79.在上述反应中，no不仅通过产生中间产物(oh自由基、ch3o等)来参与燃料燃烧，而且在燃烧期间不会被消耗。通过这种方式，no(一氧化氮)起到了气相催化剂的作用。
80.通过利用nox物质，本公开由此能进一步解决如何点燃最终将在高压下运转的氧燃料燃烧器的问题。如上文所述，在燃烧器的启动期间或暂态期内存在的很低的温度和/或压力下，可能难以维持火焰而不熄火。通过提供附加的催化剂来降低所需的点火核心能量，并通过降低反应电势来帮助维持点火，火焰可保持点燃。此外，很容易在发电循环的后段通过各种工艺去除no或其它nox物质，例如利用在allam等人的第9,919,268号美国专利中公开的系统和工艺进行，该专利的公开内容通过引用结合在此。
81.根据本公开的实施例，由此可通过多种方式简化点火过程。有利的是，能够提高点火促进作用，而不需要增加昂贵的设备，并且不会产生固体烟灰，增加昂贵的设备会显著增加系统的额外成本，在无法保护涡轮叶片的封闭过程中应避免产生固体烟灰。将nox用作催化剂的这种使用方法可与本文公开的其它实施例结合使用，或者可单独使用。此外，通过添加这种气态催化剂，能够减少可如上文所述增加的热量，并且仍然能够提高点火能力和/或火焰稳定性。因此，本公开作为减少点火器负载并提高其可重复性并且在温度和/或压力升高之前保持火焰稳定性的一种方式。此外，可向进入燃烧器的再循环物流中的一个注入其它气相催化剂，从而通过这种方式向火焰供应其它气相催化剂。
82.因此，在一个或多个实施例中，本公开可包括向燃烧器(尤其是发电设备中的燃烧器)中可控地注入nox物质，尤其是例如no。所述注入可大致在燃烧器点火时和/或在燃烧器的启动期间(例如在达到自动点火温度之前)进行。通常，在燃气轮机的情况下，希望避免向燃气轮机(即，低nox燃烧器)中引入no或其它nox物质。本公开通过以受控的方式添加nox物质(例如no)克服了这种公认的限制。
83.在一些实施例中，向燃烧器受控地添加nox可相对于仅向燃烧器添加限定量的nox物质来限定。例如，根据排气流的质量，可向燃烧器注入nox物质，使得nox以大约5ppm至大约1000ppm、大约10ppm至大约750ppm、大约25ppm至大约500ppm、大约50ppm至大约250ppm或大约75ppm至大约150ppm的总量存在于流出燃烧器的大部分排气流中。因此，以适合于降低所需的点火核心能量和减少点火延迟时间的量引入nox物质。
84.虽然在利用空气作为氧化剂的发电过程中nox可能是不希望有的副产品，但是本公开中的nox涉及有意添加的化学物质，该化学物质在燃烧之前以nox的化学形式存在，并且实际上不是由氮的氧化产生的燃烧副产品。特别地，可进行燃烧，使得进入燃烧器的物流
充分缺乏氮，以形成在此声明的含量的nox。此外，由于氧化剂可以是基本上纯净的氧气并且可排除使用空气作为氧化剂，因此应理解，燃烧器废气中存在的nox物质是有意添加的nox，而不是燃烧副产物。
85.向燃烧器中注入nox物质在发电设备的整个运转过程中可以是基本连续的。通过这种方式，催化剂材料的存在能有效地降低过程的活化能(例如燃料的自燃温度)，并从而降低在燃烧器中产生和/或维持火焰所需的能量。此外，在燃料成分在发电设备运转期间可能变化的情况下，可改变注入到燃烧器中的nox物质的含量，以基本平衡燃烧。例如，如果氧化剂浓度和/或燃料的热值降低，那么可提高nox含量，以应对可用活化能的损失。同样，如果氧化剂浓度和/或燃料的热值提高，那么可降低nox含量，以应对可用活化能的增加。因此，nox可用作可通过测量下游参数(例如燃烧器废气流量和/或温度)和/或监测上游参数(例如氧化剂流量、燃料流量或燃料化学组成的已知变化)来自动调节的控制成分。
86.在另一些实施例中，可仅在有限的时段内向燃烧器中注入nox物质。例如，nox注入可进行直到到达到限定的阈值。例如，一旦燃烧器在限定的最低温度下运转，一旦发电设备达到限定的功率水平，或者一旦燃烧器排气流达到限定的成分组成，可减少或完全消除nox注入。此外，可进行监测以确保如果限定参数中的一个低于必要的阈值，则增加或重新开始nox注入，因为这能确保避免潜在的熄火或者有效地使发电设备的运转大致正常化。
87.图6中示出了适合用于如本文所述的发电设备的燃烧装置的一个示例性实施例。在该图中能够看出，燃烧器620可基本上以如参照图1和/或图2论述的方式配置，并且这样的配置在某些实施例中可以是可组合的，使得nox的注入可与如上所述的一条或多条管线的加热同时进行。在图6中，燃烧器620包括燃烧室622，并提供排气流630。燃烧器620包括用于输入燃料的燃料管线609，并且包括用于输入一股或多股非燃料流的一条输入管线605或多条输入管线(605、605a、605b、605c)。可同样地提供用于独立地提供包含一种或多种nox物质的一个或多个物流的管线685。如图所示，管线685可被配置成向燃料管线609和提供非燃料流的任何管线(605-605c)中的任何一条或多条添加一种或多种nox物质。替代地或另外地，管线685可被配置成向燃烧器620中直接输入一种或多种nox物质，包括向燃烧室622中直接输入。
88.在一些实施例中，向燃烧器受控地添加nox可相对于特定的化学途径来定义。例如，在一个或多个实施例中，本公开可包括通过氨的电催化还原来特定地添加一氧化氮(no)。例如，如图6所示，可在发电设备中包括专用反应器696，并且这种反应器可被配置成接收必要的输入流(695a、695b)以将氨转化成no。所形成的no的至少一部分可通过专用管线697，以用作向燃烧器和/或一条或多条其它输入管线(609、605-605c)直接传送的nox物质的至少一部分。通过这种反应，可根据需要将进入燃烧器或燃烧室(例如在燃气轮机中)的一个或多个物流处的局部no浓度调节到期望的范围内，如在本文中另外所述。管线695a和695b中的物流例如可以是氨、催化剂、氧化剂等，这对于进行必要的转化反应是有用的。如果需要，反应器696可以是加热的反应器。
89.在一些实施例中，向燃烧器受控地添加nox可相对于特定的nox注入位置来定义。例如，可在燃烧器或燃烧室内布置专用的nox注入喷嘴，以在设计的条件下将nox直接注入到燃料和氧化剂混合区中。在另一个示例性实施例中，在点火和启动条件下，在注入到燃烧器或燃烧室中之前，nox可与燃料流和氧化剂流中的一者或两者混合。在另一些示例性实施
例中，可将nox注入到进入燃烧器或燃烧室的一个或多个再循环流中。特别地，可将nox注入到进入燃烧器或燃烧室的多个物流中，并且可选地还可直接注入到燃烧器或燃烧室内的主火焰区中。在优选实施例中，可在尽可能靠近燃烧器的火焰混合区的位置注入no。在一些实施例中，这可能需要通过专用管线将nox直接添加到燃烧器中。在其它实施例中，这可能需要通过接头、阀门等将nox添加到位于紧邻燃烧器的上游位置的另一条输入管线中。此外，这可包括燃烧器包含一个或多个喷嘴或类似装置的配置，这些喷嘴或类似装置被配置成在火焰混合区直接注入催化剂。
90.在一个或多个实施例中，本公开还可包括用于在循环的后段(例如在上文中另外说明的过程中)去除nox的装置。例如，分离器150可被配置成通过使nox与sox和水中一者或两者反应和/或通过添加一种或多种氧化成分(尤其是被认为是高级氧化剂的材料(例如过氧化物、超氧化物、臭氧和/或卤氧化物))来去除nox。此外，优选地，nox注入的控制方式使得nox不仅可在循环中的任何点注入，而且可根据需要调节，从而在不再需要催化火焰控制时，能够精细地提高并且很容易调低局部nox浓度。因此，可按下列方式中的任何一种或它们的组合提供nox物质(特别是no)：直接注入到燃烧器或燃烧室内；与进入燃烧器或燃烧室的燃料流混合；与进入燃烧器或燃烧室的氧化剂流混合；与进入燃烧器或燃烧室的稀释流(例如co2流)混合；与进入燃烧器或燃烧室的工作流体流混合；与进入燃烧器或燃烧室的水或蒸汽流混合；与进入燃烧器或燃烧室的冷却流混合。
91.适合按照本公开的一个或多个实施例使用的氧燃料燃烧循环还可包括适合用于执行发电方法的各种部件。在第8,596,075号美国专利、第8,776,532号美国专利、第8,869,889美国专利、第8,959,887号美国专利、第8,986,002号美国专利、第9,062,608号美国专利、第9,068,743号美国专利、第9,410,481号美国专利、第9,416,728号美国专利、第9,546,815号美国专利、第10,018,115号美国专利、第2012/0067054号美国专利公告和第2018/0133647号美国专利公告中提供了可用本公开实施的系统和方法部件的示例实施例，这些文献的公开内容通过引用结合在此。
92.受益于前述说明和相关附图中给出的教导，本主题所属领域的技术人员能想到在此公开的主题的许多修改和其它实施例。因此，应理解，本公开不限于在本文中所述的具体实施例，并且此类修改和其它实施例包含在所附权利要求的范围之内。虽然在本文中采用了特定术语，但是它们仅以一般性和描述性的意义使用，而不是出于限制目的。