KR20080065935A - 연료 가변형 3중 역회전 스월러 및 사용 방법 - Google Patents

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KR20080065935A
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KR1020080002566A
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아메드 모스타파 엘카디
안드레이 트리스탄 에불렛
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

가변성 연료 연료-공기 혼합기는 환형 슈라우드, 중심 본체, 중심 본체의 외측 표면 둘레에 배치된 내측 스월러, 그 사이에 갭을 형성하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 연료 입구와, 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러를 갖는 저에너지 함유 연료 플리넘, 연료 플리넘의 외측 슈라우드 둘레에 배치된 내측 원주방향 단부를 갖는 외측 스월러, 및 반경방향으로 제 2 스월러로부터 바깥쪽으로 환형 슈라우드의 상류측 단부에 배치된 고에너지 함유 연료 슈라우드로서, 외측 스월러와 유동 연통하는, 상기 연료 슈라우드를 포함한다.

Description

연료 가변형 3중 역회전 스월러 및 사용 방법{FUEL-FLEXIBLE TRIPLE-COUNTER-ROTATING SWIRLER AND METHOD OF USE}
본 발명의 실시예는 일반적으로 연소기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 저배출(low-emission) 연소 공정에서의 사용을 위한 희박-예비혼합된 연소기의 연료 가변형(fuel flexible) 연료-공기 혼합기에 관한 것이다.
역사적으로, 연료로부터의 에너지의 추출은 반응 물질이 초기에 분리되고 연료와 산화제 사이의 계면(interface)에서만 반응이 일어나는 곳으로서, 혼합 및 반응 양자가 발생하는 확산-제어[또한, 비예비혼합(non-premixed)으로 언급됨] 연소를 갖는 연소기에서 수행되었다. 그러한 장치는 전력 발전, 선박 추진, 가스 압축, 폐열 발전 및 근해 플랫폼 파워(offshore platform power) 등에 있어서의 적용예를 위한 항공기 가스 터빈 엔진 및 개조형(aero-derivative) 가스 터빈을 비제한적으로 포함한다. 그러한 연소기 설계에 있어서, 엔지니어들은 최대 작동 온도를 증가시키고 특정 에너지 방출 속도를 증가시키기 위해 연소기의 전체 크기를 유지 또는 감소시켜야 하는 끊임없는 요구 뿐만 아니라, 규제 오염물질의 형성 및 환경으로의 방출을 감소시켜야 하는 끊임없이 증가하는 요구에 도전을 받는다. 관심의 주요 오염물질의 예는 질소 산화물(NOx), 일산화 탄소(CO), 비연소된 그리고 부분적으로 연소된 탄화수소, 및 이산화 탄소(CO2)와 같은 온실 가스를 포함한다. 연소가 발생하는 동안의 유체 기계적 혼합, 국부적인 화학양론적 연소와 관련된 최고 온도, 상승된 온도를 갖는 구역에서의 상주 온도 및 산소 이용도에의 의존에 기인한 유동에 있어서의 국부적인 조성 변화를 제어하는 데에 있어서의 어려움 때문에, 확산-제어 연소기는 원하는 수준의 증가된 성능을 유지하면서 현재 그리고 미래의 배출 규체(emission requirement)를 만족시키는 제한된 능력을 제공한다.
근래에, 희박-예비혼합(lean-premixed) 연소기가 바람직하지 않은 오염물질의 배출 수준을 더 감소시키기 위해 사용되어 왔다. 이들 연소기에 있어서, 연소기에 있어서의 중대한 화학 반응의 발생 전에, 연료-공기 혼합기의 사용에 의해 적정량의 연료 및 산화제가 혼합 챔버 또는 구역에서 잘 혼합되어, 확산-제어 연소기의 상술된 문제점 및 당업계에 알려진 다른 문제의 제어를 촉진한다. 종래의 예비혼합 버너의 연료-공기 혼합기는, 공기 스트림(stream)에 소용돌이를 부여하기 위해 혼합 덕트의 상류측 단부에 대체로 인접하여 배치된 내측 및 외측의 역회전 스월러(counter-rotating swirler)의 세트를 합체한다. 슈라우드 내의 매니폴드와 유체 연통하는 내부 캐비티를 갖는 중공 베인을 포함하는, 내측 및/또는 외측 환형 스월러에 제 1 연료를 공급하고, 그리고/또는 제 2 연료 플리넘과 유동 연통하는 중심 본체 벽 내의 복수의 오리피스에 의해 혼합 덕트 내로 제 2 연료를 분사하는 것을 포함하여, 그러한 장치에 있어서 연료를 분사하는 여러 방법이 알려져 있다. 그러한 장치에 있어서, 압축기로부터의 고압 공기는 스월러를 통해 혼합 덕트 내로 유동하여 강력한 쉬어 구역(shear region)을 형성하고, 연료는 교차 제트 유동(cross jet flow)으로 외측 스월러 베인 통로 및/또는 중심 본체 오리피스로부터 혼합 덕트 내로 분사되어, 연료-공기 혼합물이 혼합 덕트의 하류측 단부에서 연소기 내로 이송되어 점화되기 전에, 고압 공기와 연료가 혼합된다. 이에 제한되는 것은 아니지만, 희박-예비혼합 연소기에서의 사용을 위한 선택 연료는 천연 가스이다.
규제 오염물질의 배출 수준을 더 감소시킬 수 있는 연소기에 추가하여, 연료 가변성을 갖는 희박-예비혼합 연소기 기술의 중요성이 증가한다. 에너지 수요 및 천연 가스 가격이 전 세계에서 계속하여 상승하기 때문에, 전력 생산 플랜트의 조작자는 계속하여 대체 연료, 특히 석탄과 같은 풍부하고 가격이 저렴한 천연 자원으로부터 얻을 수 있는 대체 연료를 찾는다. 예를 들어, 비제한적으로, 청정하고, 효율적이며, 비용 효율이 높은 석탄-기초 전력 시스템이 현재의 규제 오염물질의 배출 수준을 만족시키거나 초과하는 배기 가스를 동시에 이송하면서, 보다 높은 수준의 효율을 달성하는 것을 보여주는, 석탄가스화 복합발전 기술(integrated gasification combined-cycle technology)(IGCC)에 있어서 현재 관심사를 고려해 보자. IGCC 유닛의 유리한 특징 중 하나는, 석탄 또는 다른 물질의 가스화 공정으로부터 얻어지는 일산화 탄소 및 수소에 풍부한 가스인 합성 연료 가스[합성 가 스(syngas)로서 또한 알려짐]의 연소이다. 그럼에도 불구하고, 기존 플랜트의 높은 초기 자본 비용 및 가변성을 유지하여야 할 필요를 가정하면, 천연 가스, 합성 가스 또는 양자의 혼합물을 연소사킬 수 있는 희박-예비혼합 연소기가 바람직하다. 하지만, 천연 가스 또는 임의의 다른 고에너지 함유 연료를 연소시키도록 설계된 종래의 연소기는, 비제한적으로 주어진 화염 온도에 대한 연료-공기 및 당량비 뿐만 아니라 전체 압력 강하, 연료 분사 속도, 및 주어진 전체 연료 유동 유효 면적에 대한 연료 유동 마하수(Mach number)와 같은 기하학적 및 작동 파라미터(parameter)에서 요구되는 중대한 변화 때문에, 동일한 수준의 성능과 오염물질 형성을 유지하면서 합성 가스 또는 임의의 다른 저에너지 함유 연료를 연소시킬 수 없다.
따라서, 에너지 출력, 전체 효율, 조작성, 및 오염물질 형성의 견지에서, 현재 수준의 성능을 유지 또는 초과하면서 고에너지 함유 연료 및/또는 저에너지 함유 연료를 연소시키는 가변성을 갖는 희박-예비혼합 연소기에서의 사용을 위한 연료-공기 혼합기에 대한 요구가 존재한다. 그러한 노력은 궁극적으로 에너지 생산을 수소-기초 경제로 전환하는 것을 목표로 삼은 가스 터빈 연소기의 개발에 있어서 긍정적인 발걸음이다.
위에서 요약된 필요 및 당업계에서 알려진 다른 필요 중 하나 이상이, 환형 슈라우드, 중심 본체, 중심 본체의 외측 표면 둘레에 배치된 내측 스월러, 그 사이에 갭을 형성하고 축방향으로 연장하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 적어도 하나의 연료 입구와, 하류부에서 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러로서, 내측 슈라우드는 내측 스월러 둘레에 원주방향으로 배치된, 상기 연료 플리넘 스월러를 갖는 연료 플리넘, 연료 플리넘의 외측 슈라우드 둘레에 배치된 외측 스월러로서, 내측 및 외측 스월러는 환형 슈라우드 내로 유입하는 제 1 산화제 스트림의 각각의 제 1 및 제 2 부분의 독립적인 회전을 허용하도록 구성된, 상기 외측 스월러, 및 반경방향으로 제 2 스월러로부터 바깥쪽으로 그리고 환형 슈라우드 둘레에 원주방향으로 배치된 연료 슈라우드로서, 외측 스월러와 유동 연통하는, 상기 연료 슈라우드를 포함하는 연료-공기 혼합기에 의해 해결된다.
개시된 발명의 다른 실시형태에 있어서, 압축기, 압축기와 유동 연통하고 연료와 공기의 예비혼합된 혼합물을 연소시키는 연소기, 및 연소기의 하류측에 위치되어 연소기를 빠져나가는 고온 가스 스트림을 팽창시키는 터빈을 포함하는 가스 터빈이 개시된다. 그러한 가스 터빈의 연소기는 환형 슈라우드, 중심 본체, 중심 본체의 외측 표면 둘레에 배치된 내측 스월러, 그 사이에 갭을 형성하고 축방향으로 연장하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 적어도 하나의 연료 입구와, 하류부에서 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러로서, 내측 슈라우드는 내측 스월러 둘레에 원주방향으로 배치된, 상기 연료 플리넘 스월러를 갖는 연료 플리넘, 연료 플리넘의 외측 슈라우드 둘레에 배치된 외측 스월러로서, 내측 및 외측 스월러는 환형 슈라우드 내로 유입하는 제 1 산화제 스트림의 각각의 제 1 및 제 2 부분의 독립적인 회전을 허용하도록 구성된, 상기 외측 스월러, 및 반경방향으로 제 2 스월러로부터 바깥쪽으로 그리고 환형 슈라우드 둘레에 원주방향으로 배치된 연료 슈라우드로서, 외측 스월러와 유동 연통하는, 상기 연료 슈라우드를 포함하는 연료-공기 혼합기를 갖는다.
개시된 발명의 다른 실시형태에 있어서, 공기로부터 산소를 분리하도록 구성된 공기 분리 유닛, 천연 가스를 준비하기 위한 가스 처리 유닛, 상승된 온도 및 압력에서 천연 가스와 산소를 반응시켜 일산화 탄소와 수소 가스가 풍부한 합성 가스를 생성하기 위한 연소기, 및 연소기와 유동 연통하는 터보-팽창기로서, 일(work)을 추출해내고 합성 가스를 냉각시키기 위한, 상기 터보 팽창기를 포함하는 가스-대-액체 시스템이 개시된다. 그러한 가스-대-액체 시스템의 연소기는 환형 슈라우드, 중심 본체, 중심 본체의 외측 표면 둘레에 배치된 내측 스월러, 그 사이에 갭을 형성하고 축방향으로 연장하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 적어도 하나의 연료 입구와, 하류부에서 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러로서, 내측 슈라우드는 내측 스월러 둘레에 원주방향으로 배치된, 상기 연료 플리넘 스월러를 갖는 연료 플리넘, 연료 플리넘의 외측 슈라우드 둘레에 배치된 외측 스월러로서, 내측 및 외측 스월러는 환형 슈라우드 내로 유입하는 제 1 산화제 스트림의 각각의 제 1 및 제 2 부분의 독립적인 회전을 허용하도록 구성된, 상기 외측 스월러, 및 반경방향으로 제 2 스월러로부터 바깥쪽으로 그리고 환형 슈라우드 둘레에 원주방향으로 배치된 연료 슈라우드로서, 외측 스월러와 유동 연통하는, 상기 연료 슈라우드를 갖는 연료-공기 혼합기를 포함한다.
연소 시스템에서 고에너지 함유 연료 또는 저에너지 함유 연료와 산화제를 예비혼합하는 방법 또한 개시된 본 발명의 실시예의 범위 내이고, 그러한 방법은 연료-공기 혼합기의 환형 슈라우드 내측으로 산화제의 제 1 스트림을 끌어들이는 단계와, 산화제의 제 1 스트림의 제 1 부분을 외측 스월러 내에서 제 1 방향으로 소용돌이치게 하는 단계와, 산화제의 제 1 스트림의 제 2 부분을 내측 스월러 내에서 제 2 방향으로 소용돌이치게 하는 단계와, 상기 외측 스월러 내의 연료 입구 오리피스와 유동 연통하는 연료 슈라우드로부터 상기 연료-공기 혼합기 내로 고에너 지 함유 연료를 분사하는 단계; 또는 연료 플리넘으로부터 상기 연료-공기 혼합기 내로 저에너지 함유 연료를 분사하는 단계로서, 상기 연료 플리넘은 축방향으로 연장하고 사이에 갭(gap)을 형성하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 상기 연료 플리넘의 상류부에 배치된 적어도 하나의 연료 입구와, 상기 연료 플리넘의 하류부에 있어서 상기 내측 및 외측 슈라우드 사이에 형성된 상기 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러를 포함하고, 상기 연료 플리넘의 내측 슈라우드는 상기 내측 스월러의 외측 원주방향 단부 둘레에 원주방향으로 배치된, 상기 단계를 포함한다.
이하의 상세한 설명이 보다 잘 애해되고, 당업계에 대한 본 발명의 공헌이 보다 잘 인식될 수 있도록, 이상의 간략한 설명은 본 발명의 특징을 서술한다. 물론, 이하에 설명될 것이고 첨부된 청구범위의 주제를 위한 것인 본 발명의 다른 특징이 존재한다.
이 점에서, 본 발명의 몇몇의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 설명 또는 도면에 도시된 구성의 상세한 내용 및 구성요소의 배치로 그 적용이 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명은 다른 실시예일 수 있고, 여러 방법으로 실행 및 수행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 채용된 표현 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고 제한적인 것으로서 간주되어서는 안된다는 것을 이해하여야 한다.
그러한 것으로서, 개시 내용이 기초하는 개념은 본 발명의 몇몇 목적을 수행하기 위한 다른 구성, 방법 및 시스템을 설계하는 기초로서 용이하게 활용될 수 있 음을 당업자는 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈하지 않는 한, 청구범위는 그러한 동등 구성을 포함하는 것으로서 간주되어야 하는 것이 중요하다.
또한, 전술한 요약서의 목적은, 미국 특허청 및 일반적으로 대중, 특히 과학자, 엔지니어 및 특허나 법률 용어 또는 표현에 친숙하지 않은 당업계의 개업자가 일견하여 본원의 기술적 개시 내용의 특질 및 본질을 신속하게 결정하게 하기 위한 것이다. 따라서, 요약서는, 오직 청구범위에 의해서만 평가되는 본 발명 또는 본원을 규정하고자 하는 의도가 아니고, 어떠한 방식으로도 본 발명의 범위에 대한 제한의 의도가 아니다.
본 발명에 따르면, 에너지 출력, 전체 효율, 조작성, 및 오염물질 형성의 견지에서, 현재 수준의 성능을 유지 또는 초과하면서 고에너지 함유 연료 및/또는 저에너지 함유 연료를 연소키시는 가변성을 갖는 희박-예비혼합 연소기에서의 사용을 위한 연료-공기 혼합기가 제공된다.
첨부된 도면과 관련하여 고려될 때 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 본 발명의 보다 완벽한 이해 및 수반되는 많은 장점이 보다 잘 이해되게 되고 용이하게 얻어질 것이다.
유사한 참조번호가 여러 도면에 걸쳐 동일 또는 대응하는 부분을 지시하는 도면을 참조하여, 개시되는 연료-공기 혼합기의 몇개의 실시예가 설명될 것이다. 이하의 설명에 있어서, 가스 터빈에 사용되는 개시된 연료-공기 혼합기의 예시적인 실시예가 이용될 것이다. 그럼에도 불구하고, 동일한 연료-공기 혼합기가, 연소기가 연료 및 산화제의 예비혼합에 의해 주로 제어되는 다른 적용예에 사용될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다.
도 1은 작동시 고압 공기를 저배출 연소기(12)에 공급하는 압축기(14)를 갖는 가스 터빈(10)을 도시한다. 연소기(12) 내로 분사된 연료와 공기(또는 다른 산화제)의 연소에 이어, 고압의 고온 연소 가스는 연소기(12)를 빠져나와 터빈(16)을 통해 팽창하고, 터빈(16)은 샤프트(18)를 거쳐 압축기(14)를 구동한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 본 명세서에서 공기 또는 공기유동에 대한 언급은 순수 산소 또는 21% 이하(예를 들어 10%)의 체적 산소 함유량을 갖는 오염된 공기유동을 비제한적으로 포함하는 임의의 다른 산화제를 또한 언급한다. 일 실시예에 있어서, 연소기(12)는 캔(can)형 연소기를 포함한다. 변형 실시예에 있어서, 연소기(12)는 캔-환형 연소기 또는 순수 환형 연소기를 포함한다. 적용예에 따라, 연소기 가스는 추력을 발생시키기 위해 노즐(도시되지 않음)에서 더 팽창할 수 있고, 가스 터빈(10)은 연소기 가스로부터 추가의 에너지를 추출하여 외부 하중을 구동시키기 위해 추가의 터빈(도시되지 않음)을 가질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연소기(12)는 연소 영역을 규정하는 연소기 하우징(20)을 포함한다. 추가하여, 이하에 더 설명되고 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 연소기(12)는 연소 영역에서의 연소에 앞서 압축 공기와 연료를 혼합하기 위한 연료-공기 혼합기를 포함한다.
도 2는 도 1의 가스 터빈(10)에 채용된 저배출 연소기(22)의 예시적인 구성을 도시한다. 도시된 실시예에 있어서, 연소기(22)는 단일 연료-공기 혼합기를 갖는 캔형 연소기를 포함하지만, 당업자는 적용예 및 필요한 출력에 따라 복수의 혼합기가 주어진 연소기 캔에 또한 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 연소기(22)는 연소기 케이싱(24)과, 연소기 케이싱(24) 내에 배치된 연소기 라이너(combustor liner)(26)를 포함한다. 연소기(22)는 또한 연소기 벽의 온도를 감소시키도록 구성된 돔(dome)형상 플레이트(28) 및 열 차폐부(heat shield)(30)를 포함한다. 또한, 연소기(22)는 연소에 앞서 산화제 및 연료를 예비혼합하기 위한 연료-공기 혼합기(32)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 연료-공기 혼합기(32)는 수소와 같은 연료를 채용하는 적용예를 위해 연소기(22) 내에 다단식 연료 도입을 달성하도록 배치된다. 작동시, 연료-공기 혼합기(32)는, 연료 플리넘으로부터 연료-공기 혼합기(32) 내로 도입되는 연료와 혼합되는 공기유동(34)을 수용한다. 그 후, 공기-연료 혼합기는 연소기(22) 내측의 화염(36)에서 연소된다. 도시된 바와 같이, 희석 또는 냉각 구멍(38)이 또한 케이싱(24)에 제공된다.
도 3은 도 1의 가스 터빈(10)에 채용된 저배출 연소기(40)의 다른 예시적인 구성을 도시한다. 도시된 실시예에 있어서, 연소기(40)는 단일 연료-공기 혼합기를 갖는 환형 연소기를 포함하지만, 당업자는 적용예 및 필요한 출력에 따라 원주방향으로 배치된 복수의 혼합기가 또한 주어진 환형 연소기에 사용될 수 있음을 이 해할 것이다. 도시된 바와 같이, 내측 케이싱(42) 및 외측 케이싱(44)은 연소기(40) 내에 연소 영역을 규정한다. 추가하여, 연소기(40)는 전형적으로 내측 및 외측 연소기 라이너(46, 48) 및 돔부(50)를 포함한다. 또한, 연소기(40)는 내측 및 외측 연소기 라이너(46, 48)에 인접하여 배치된 내측 및 외측 열 차폐부(52, 54)와, 연소기 영역 내로 공기유동(58)을 지향시키기 위한 확산기 섹션(56)을 포함한다. 연소기(40)는 또한 연소 영역의 상류측에 배치된 연료-공기 혼합기(60)를 포함한다. 작동시, 연료-공기 혼합기(60)는 연료 라인(62, 64)을 거쳐 연료 플리넘으로부터 연료를 수용한다. 또한, 연료 라인(62, 64)으로부터의 연료는 유입하는 공기유동(58)과 혼합되고, 연소용의 연료-공기 혼합물은 화염(66)으로 이송된다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 연료-공기 혼합기(72)를 갖는 다른 예시적인 저배출 환형 연소기(70)의 부분 단면을 도시한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 환형 연소기(70)는 가스 터빈 엔진(10)에 사용하기에 적당한 타입의 연속 연소 연소 장치(continuous burning combustion apparatus)이고, 내부에 연소 챔버(76)를 규정하는 중공 본체(hollow body)(74)를 포함한다. 중공 본체(74)는 일반적으로 환형 형태이고, 외측 라이너(48), 내측 라니어(46) 및 돔형상 단부 또는 돔부(50)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 중공 본체(74)의 돔형상 단부(50)는 연료-공기 혼합기(72)에 접속되어 연료-공기 혼합기(72)로부터 연소 챔버(76) 내로의 연료-공기 혼합물의 연속적인 도입을 허용하고, 최소한의 오염물질 형성이 최종 혼합물의 점화 및 연소에 의해 야기된다. 본 명세서에서 설명된 변경 외에, 연료-공 기 혼합기(72)는 일반적으로 미국 특허 번호 제 5,351,477 호, 제 5,251,447 호 및 제 5,165,241 호의 혼합기의 형태를 취할 것이고, 이들 특허는 본 발명의 양수인에게 공통적으로 양도되고, 그 내용은 참조에 의해 전체로서 본 명세서에 합체된다.
도시된 바와 같이, 연료-공기 혼합기(72)는 내측 스월러(swirler)(80) 및 외측 스월러(82)를 포함한다. 내측 및 외측 스월러(80, 82)는 바람직하게 역회전(conter-rotating)한다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 하나의 스월러의 회전 방향이 나머지 하나의 스월러의 회전 방향에 반대인 한, 내측 스월러(80) 또는 외측 스월러(82)가 스월러를 통해 유동하는 공기를 회전시키는 방향은 중요하지 않다. 내측 및 외측 스월러(80, 82)는 바람직하게 축방향이지만, 반경방향일 수 있고 또는 축방향과 반경방향의 몇몇 조합일 수 있다. 당업자가 알고 있는 바와 같이, 내측 및 외측 스월러(80, 82)는 연소기의 축방향 축선(A)에 대해 약 40° 내지 약 60°로 변하는 각도로 배치된 베인(vane)을 갖는다. 추가하여, 외측 스월러(82)를 통해 유동하는 공기의 질량에 대한 내측 스월러(80)를 통해 유동하는 공기의 질량의 비는 설계에 의해 조정될 수 있으며, 바람직하게 대략 1/3이다.
연료-공기 혼합기(72)는 연료 입구(88)를 갖는 연료 슈라우드(86)를 더 포함하고, 연료 슈라우드(86)는 상류측 단부에서 혼합기를 원주방향으로 감싸며, 환형 슈라우드(90)는 연료 슈라우드(86)의 하류측에 배치된다. 연료 슈라우드(86)는 외측 스월러(82)의 베인과 유동 연통하고, 연료 슈라우드(86)로부터 분사된 연료는 종래에 알려진 바와 같이 적당한 연료 공급 및 제어 메커니즘에 의해 계량될 수 있다. 그것으로서, 외측 스월러(82)의 베인은 바람직하게, 연료 슈라우드(86) 및 연 료 통로에 접속되어 연료 입구 포트(112)를 통해 연료 슈라우드(86)로부터 환형 슈라우드(90) 내로 연료를 분사하는 내부 캐비티(cavity)를 갖는 중공 디자인이다(도 5에 도시됨). 종래에 또한 알려진 바와 같이, 도면에는 도시되지 않았지만, 연료 통로는 내측 스월러(80)의 베인과 유동 연통하는 연료 슈라우드(86) 내에 제공될 수 있다. 본 발명의 기술에 따르면, 연료 슈라우드(86)는 연료-공기 혼합기(72) 내로 고에너지 함유 연료를 분사하도록 구성된다. 본 명세서에 개시된 바와 같은 고에너지 함유 연료는 30 내지 120MJ/kg의 낮은 발열량을 갖는 연료이다. 그러한 연료의 예는 천연 가스 및 수소를 비제한적으로 포함한다.
도 4에 더 도시된 바와 같이, 저에너지 함유 연료 플리넘(84)는 내측 및 외측 스월러(80, 82)를 서로로부터 분리하여, 내측 및 외측 스월러(80, 82)가 공통 환형이고 그리고 유입되는 공기를 독립적으로 회전시키는 것을 허용한다. 저에너지 함유 연료 플리넘(84)은, 그들 사이에 갭(gap)(98)을 갖는 환형 영역을 형성하는 2개의 동심 관형 부품(94, 96)을 포함한다. 연료 플리넘(84)의 상류측 단부(100)에 연료 입구(102)가 제공된다. 연료 플리넘(84) 내로 도입된 연료는, 연료 플리넘(84)의 하류측 단부(106)에 배치된 제 3 스월러(104)를 거쳐 연료-공기 혼합기(72) 내로 최종적으로 분사된다. 도시된 바와 같이, 제 3 스월러(104)는 내측 및 외측 스월러(80, 82)와 실질적으로 동일평면이다. 연료-공기 혼합기(72)는, 직선 원통형 섹션의 형태로 제공된 또는 바람직하게 상류측 단부로부터 하류측 단부로 실질적으로 균일하게 수렴하는 중심 본체(108)를 더 포함한다. 중심 본체(108)는 바람직하게 환형 슈라우드(90)의 하류측 단부(110) 전에 종결하도록 크 기설정된다.
도 5 내지 도 7은 도 4의 연료-공기 혼합기(72)의 다른 도시이다. 도 5는 사시도로서, 고에너지 함유 연료를 연료-공기 혼합기(72) 내로 도입하기 위한 연료-분사 오리피스(112)를 보다 잘 도시한다. 도 5는 또한 저에너지 함유 연료를 연료 플리넘(84) 내로 도입하기 위한 연료 입구(102)의 일 실시예를 도시한다. 실시예에 있어서, 연료 플리넘(84)은 연료-공기 혼합기(72) 내로의 보다 균일한 연료 분사 공정을 촉진하기 위해 연료 플리넘(84) 주위에 원주방향으로 배치된 복수의 연료 입구(102)를 포함할 수 있고, 또는 저에너지 연료를 위한 별개의 원추형 연료 플리넘이 제공될 수 있다. 본 명세서에 개시된 바와 같이 저에너지 함유 연료는 30MJ/kg 이하의 낮은 발열량을 갖는 연료이다. 그러한 연료의 예는 H2와 N2의 60/40 또는 50/50 혼합물, 및 합성 가스(syngas)를 비제한적으로 포함한다. 도 6 및 도 7은 각각 도 4의 연료-공기 혼합기(72)의 평면도(하류측에 위치하여 상류측을 바라보는 관찰자에 대해) 및 저면도(상류측에 위치하여 하류측을 바라보는 관찰자에 대해)로서, 외측 스월러(82), 제 3 스월러(104)(도 6), 내측 스월러(80), 연료 플리넘(84)의 상류측 단부(100)(도 7), 및 중심 본체(108)의 상대적 위치를 도시한다.
내측 및/또는 외측 스월러(80, 82)의 베인을 통해 연료 슈라우드(86)로부터 분사된 고에너지 함유 연료를 위한 입구 포트의 유효 면적과, 연료 플리넘(84)으로부터의 저에너지 함유 연료의 분사를 위한 제 3 스월러(104)의 유효 출구 면적은, 연료 분사 공정, 연료 분사 속도, 및 연료-공기의 주어진 설계 제한에 대한 연료 유동 마하수 및 주어진 화염 온도에 대한 당량비(equivalence ratio)와 관련된 전체 압력 강하를 최소화하는 방식으로 연료-공기 혼합기의 작동을 허용하도록 선택되어, 저에너지 함유 연로, 고에너지 함유 연료, 및/또는 양자의 조합을 갖는 연료-공기 혼합기(72)의 작동을 허용한다. 추가하여, 당업자는 고에너지 및/또는 저에너지 함유 연료를 적당하게 혼합하는 내측 및 외측 스월러(80, 82) 양자와 제 3 스월러(104)의 능력은 연료-공기 혼합기(72) 또는 환형 슈라우드(90) 내에서의 플래시백(flashback) 또는 화염 대기(flame holding)를 최소화하고 그리고/또는 제거할 것이라는 것을 이해할 것이다.
5개의 다른 타입의 연료에 대한 연료-공기 혼합기 파라미터(parameter)의 변화에 있어서의 예가 이하의 표 1에 도시되며, 표 1은 5개의 다른 연료에 대해 당량비, 연료 질량 유량, 유효 면적, 유효 면적에 있어서의 퍼센트 증가율, 및 연료 분사 속도와 주어진 연료 압력 강하 및 2,500℉(1,371℃)의 화염 온도에 대한 마하수를 표로 정리한 것이다. 표 1에서 정리된 결과에 있어서, 유효 면적에 있어서의 퍼센트 증가율은 천연 가스에 대한 유효 면적에 대해 정의된다. 즉, 예를 들어 천연 가스 및 순수 수소에 대한 유효 면적이 각각 0.015 및 0.018in2이기 때문에, 천연 가스에 대한 유효 면적에 있어서의 퍼센트 증가율은 제로(zero)이고, 수소에 대한 유효 면적에 있어서의 퍼센트 증가율은 17.8{즉, 17.8=[((0.018-0.015)/0.015)*100]}이다. 당업자가 이해하는 바와 같이, 유효 면적에 있어서의 퍼센트 증가율은, 비제한적으로 CO2, 증기로서의 물, CO와 같은, N2 이외의 다른 가스가 연료 내에 약간 존재할 수 있는 가능성의 관점에서, 표 1에 나타난 값으로부터 변할 수 있다.
표 1에 나타난 바와 같이, 만약 저에너지 함유 연료가 H2와 N2의 60/40 또는 50/50 혼합물이면, 2,500℉(1,371℃)의 화염 온도에 대해, 각각 연료 플리넘(84)의 유효 면적은 고에너지 함유 연료의 분사를 위한 연료 슈라우드(86)의 입구 포트의 유효 면적보다 약 4.67 및 7.13배 커야 한다. 합성 가스에 대해, 연료 플리넘(84)의 유효 면적은 연료 슈라우드(86)의 입구 포트의 유효 면적보다 약 12배 커야 한다. 순수 H2에 대해, 연료 슈라우드(86)의 입구 포트의 유효 면적은, 천연 가스가 고에너지 함유 연료로서 사용될 때와 동일한 면적 보다 약 1.78배 크다. 순수 수소를 포함하는 H2를 포함하는 연료에 대해, 수소의 질량 유량은 0.012 내지 0.015lbm/sec 사이에서만 변하고, 이것은 고려되는 여러 연료에 대해, (1)수소 질량 유량은 양과 동일 차수이고, (2)만약 수소가 단독으로 분사되면, 연료 분사 구멍을 횡단하는 압력 강하는 모든 연료에 대해 동일 범위 내일 것이며, (3)수소 및 다른 혼합물(N2 또는 N2/CO)이 개별적으로 분사되거나 또는 허용가능한 압력 손실을 갖는 연료 가변성(fuel flexibility)을 위해 연료-공기 혼합기 내에서 공기와 나중에 혼합될 수 있는 것을 나타낸다.
2,000℉에서 3,000℉까지(또는 1,093℃에서 1,649℃까지) 범위의 화염 온도 에 대해, H2와 N2의 60/40 또는 50/50 혼합물의 저에너지 함유 연료에 대해 연료 플리넘(84)의 유효 면적에 있어서의 범위는, 각각 고에너지 함유 연료로서의 천연 가스의 주입을 위한 연료 슈라우드(86)의 입구 포트의 유효 면적보다 약 4.2 내지 5.6 및 6.43 내지 8.57배 크다. 합성 가스 및 화염 온도에 있어서의 동일한 범위에 대해, 연료 플리넘(84)의 유효 면적은 연료 슈라우드(86)의 입구 포트의 유효 면적보다 약 10.82 내지 14.43배 큰 범위이어야 한다. 순수 H2에 대해, 연료 슈라우드(86)의 입구 포트의 유효 면적에 있어서의 범위는, 특정 범위의 화염 온도에 대해 천연 가스가 고에너지 함유 연료로서 사용될 때의 면적과 동일한 면적보다 약 1.6 내지 약 2.14배 크다.
합성 가스로 작업시 어려움은 천연 가스와 비교하여 동일한 연소율을 위해 필요한 높은 체적 유량과 관련된다. 이러한 상황에서, 연료 유동 면적은 합성 가스 조성에 기초하여 10 내지 15배만큼 확대되는 것이 필요하다. 추가하여, 합성 가스에 대한 웨버 지수(Wobbe Index)는 천연 가스의 웨버 지수보다 실질적으로 낮다. 사용시, 연료-공기 혼합기(72)는, 내측 및 외측 역회전 공기 스월러(80, 82)의 사용을 통해, 합성 가스와 같은 나선형 스월러(104)를 거쳐 도입된 저에너지 함유 연료를 쉬어링(shearing)하여, 연료-공기 혼합물을 소용돌이 운동으로 연소 챔버 플리넘으로 이송하기 전에 내측 및 외측 스월러를 통해 유동하는 공기와의 적당한 혼합을 보장한다.
Figure 112008001813263-PAT00001
비록 도시되지는 않았지만, 다른 실시예에 있어서, 환형 슈라우드(90)의 내측 표면을 따라 위치된 공기와 연료의 경계층을 활성화시키기 위해 공기가 환형 슈라우드(90) 내측을 유동하는 것을 허용하도록, 환형 슈라우드(90)를 형성하는 벽이 환형 슈라우드(90) 외측으로부터의 압축 공기와 유동 연통하는 하나 이상의 공기 통로를 포함할 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 이들 공기유동 통로는, 연료가 연료-공기 혼합기(72) 내로 분사되는 방식이나 또는 연료 및 공기가 그 안에서 혼합되는 방식과 무관하게 수행될 수 있다. 이것은, 그러한 공기 통로에 의해 공급된 공기가 환형 슈라우드(90)의 내측 환형 표면을 따라 경계층을 활성화하는 데에 효과적이고 환형 슈라우드(90) 내의 공기의 전방 속도를 증가시킬 것이기 때문이다. 더욱이, 공기는 또한 경계층 내의 임의의 연료의 농도를 희석시키는 따라서 그 안의 화염 속도를 감쇄하는 효과를 가질 것이고, 이 모든 것은 환형 슈라우드(90) 내에서의 플래시백의 가능성 감소에 공헌한다.
본 발명의 기술에 따른 다른 실시예에 있어서, 도 8에 도시된 바와 같이, 중심 본체(108)는 내측 스월러(80)와 유동 연통하는 복수의 오리피스(114)와 유동 연통하는 고에너지 함유 연료를 위한 환형 통로(113)를 더 포함한다. 당업자는, 중심 본체에 추가의 연료 입구 오리피스의 제공이 연료-혼합기(72)에 있어서의 혼합도를 증가시킬 것이라는 것을 이해할 것이다. 도시되지 않은 다른 실시예에 있어서, 복수의 오리피스(114)가 바람직하게, 그로부터 연료가 또한 연료-공기 혼합기(72) 내로 분사될 수 있는 내측 스월러(80)의 바로 하류측에 위치된다. 만약 가스 및 액체 연료가 연료-공기 혼합기(72) 내로 분사되어야 한다면, 가스 연료는 바람직하게 스월러 베인 통로 및 오리피스(112)를 통해 분사되어야 하고, 액체 연료는 내측 스월러(80)의 하류측의 중심 본체(108) 내에 배치된 오리피스를 통해 분사되어야 함을 이해할 것이다. 따라서, 연료 타입의 변경은, 베인을 통해 분사되는 연료의 양을 대응하게 감소시키면서, 중심 본체(108) 내에 배치된 오리피스를 통해 분사된 연료의 양을 단순히 증가시킴으로써 다소 신속하게 수행될 수 있음을 이해할 것이다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 중심 본체(108)는 바람직하게 중심 본체(108)에 인접한 연소 챔버(76) 내로 상대적으로 높은 축방향 속도의 공기를 유입시키기 위해 팁(tip)을 통하는 통로를 포함하고, 이 특정 실시예는 국부적인 연료/공기 비를 감소시켜 화염을 중심 본체 팁의 하류로 미는 것을 돕는 능력이 있다.
본 발명의 기술에 따른 또 다른 실시예에 있어서, 도 9에 도시된 바와 같이, 연료 슈라우드(86)와 환형 슈라우드(90) 사이에, 연료-공기 혼합기(72)는 반경방향 스월러(116)를 포함한다. 내측 또는 외측 스월러(80, 82) 내에 도입된 연료는 환형 슈라우드(90)의 표면을 향해 축적되는 경향이 있어, 환형 슈라우드(90)의 하류측 단부(96)에 높은 농도의 연료를 갖는 구역을 형성한다. 환형 슈라우드(90)의 출구 근처에서의 증가된 연료 농도는 환형 슈라우드(90) 내로의 플래시백의 가능성을 증가시킬 뿐만 아니라, 연소 챔버(76) 내에 형성된 NOx의 양을 증가시킨다. 반경방향 스월러(116)의 유리한 특징 중 하나는, 반경방향 스월러(116)를 통해 도입된 공기가 환형 슈라우드(90)의 표면 근처에서 연료 공기 혼합을 증대시키고, 그에 의해 환형 슈라우드(90)의 출구에서의 높은 연료 농도를 갖는 구역을 감소 및/또는 제거하고, 따라서 연소 챔버(76) 내에 형성된 전체 NOx의 양을 감소시킨다는 것이다. 도 10은 반경방향 스월러(116)의 사시도를 보여준다.
도 10에 도시된 바와 같이, 반경방향 스월러(116)는 외측 표면(122) 상에 배치된 복수의 베인(120)을 갖는, 상류측 단부에 배치된 제 1 링(118)을 포함한다. 각 베인(120)은, 각 베인(120)의 각 제 1 단부 또는 후연(trailing edge)(124)이 제 1 링(118)의 외측 에지(126)의 옆에 위치된 각 베인(120)의 제 2 단부 또는 전연(leading edge)(125)으로부터 반경방향 안쪽에 위치된 상태로, 연료-공기 혼합기(72)의 축방향 축선(A) 둘레를 원주방향으로 연장하도록 외측 표면(122) 상에 배치된다. 도시된 바와 같이, 제 1 링(118)은 또한 제 1 링(118)의 내측 에지로부터 축방향으로 연장하는 환형 립(lip)(128)을 포함한다. 반경방향 스월러(116)의 다른 구성요소는, 그들 사이에 반경방향 및 축방향 양자를 따라 연장하는 갭(gap)을 형성하도록, 제 1 링(118)으로부터 축방향으로 멀어지게 배치된 제 2 링(130)이다. 도시된 바와 같이, 제 2 링(130)의 제 1 표면(132)은 반경방향 안쪽으로 연장하여, 제 1 링(118)의 외측 표면(122)과 함께 반경방향으로 연장하는 갭(134)을 형성하고, 갭(134)에는 복수의 베인(120)이 배치된다. 제 2 링(130)의 제 2 표면(136)은, 제 1 링(118)의 환형 립(128)과 함께 축방향으로 연장하는 갭(138)을 형성하도록, 축방향으로 연장한다. 제 2 링(130)은 또한 슬리브(140)를 포함하고, 슬리브(140)의 내측에는 연료-공기 혼합기(72)를 조립시 연료-공기 혼합기(72)의 환형 슈라우드(90)가 배치된다.
연료-공기 혼합기(72)를 따라 내측 및 외측 스월러(80, 82)의 위치에 대한 반경방향 스월러(116)의 축방향 위치 및/또는 반경방향 스월러(116)를 떠나는 공기유동의 반경방향 회전도는, 특히 환형 슈라우드(92)의 벽의 옆의 구역에 있어서, 연료-공기 혼합기(72)의 하류측 단부(110)에서 연료-공기 혼합기의 원하는 혼합 정도에 기초하여 결정된다. 추가하여, 반경방향 스월러(116)의 기하학적 형상 및 치수는 원하는 예비혼합 효율과, 연료 압력, 연료 온도, 유입 공기의 온도 및 연료 분사 속도와 같은 요인(factor)을 비제한적으로 포함하는 작동 상태에 기초하여 선택/최적화된다. 연료의 예는 천연 가스, 고 수소 가스, 수소, 생물 가스(biogas), 일산화 탄소 및 합성 가스를 포함한다. 하지만, 다양한 다른 연료가 또한 채용될 수 있다.
당업자는 도 4 내지 도 10에 있어서 본 명세서에 개시된 연료-공기 혼합기의 유리한 장점이 예시된 실시예 이외의 변형 조합으로 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 개시된 본 발명의 범위 내의 개시된 연료-공기 혼합기의 다른 실시예는 중심 본체를 통한 연료의 도입없이 반경방향 스월러와 조합된 제 3 스월러를 포함할 수 있다. 추가하여, 설명된 바와 같이, 개시된 디자인 및 그 동등물이 여러 타입의 연료에 대해 작동시 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 고에너지 함유 연료는 개시된 고에너지 함유 연료 분사 포트를 통해 분사된 천연 가스 및/또는 순수 수소일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 연료-공기 혼합기는 개시된 저에너지 함유 연료 분사 포트를 거쳐 공급된 H2/N2의 혼합물 또는 합성 가스(H2/CO/N2)로 작동될 수 있다. 이들 연료-공기 혼합기는 또한 100% 예비혼합까지 부분적으로 예비혼합된 모드로 합성 가스 연소를 위해 사용될 수 있고, 이에 의해 현 IGCC 연소 시스템과 비교하여 낮은 NOx 연소를 보장한다. 그러한 혼합기는, NOx의 제어를 위한 임의의 증기 분사를 요구하지 않으면서, 합성 가스로 부분 예비혼합 또는 완전 예비혼합 모드에서 작동하는, 100% H2로부터 CO/H2/N2 및 증기 또는 CO2와 같은 다른 비활성 물질의 혼합물까지 연소시키도록 설계된 노즐을 합체할 것이다.
연료-공기 혼합기(72)의 상술된 실시예는, 가스 터빈으로부터의 배기 가스가 물/증기와 열교환되어 증기 터빈을 구동시키는 과열된(superheated) 증기를 발생시키면서, 석탄과 같은 고체 연료의 가스화로부터 유래하는 연료의 연소에 의해 구동되는 가스 터빈을 갖는 사이클인, 석탄가스화 복합발전(integrated gasification combined cycle) 또는 IGCC에서의 사용에 특히 적합하다. IGCC 플랜트의 가스화 부분은 가스화기(gasifier)에서 석탄과 산소를 조합함으로써 청정한 석탄 가스를 생산하여 가스 연료, 주로 수소 및 일산화 탄소 또는 합성 가스를 생성한다. 가스 클린업(cleanup) 공정은 그 후 합성 가스를 청정화시키고, 이것은 그 후 가스 터빈의 연소기에서 사용되어 전기를 생산한다. IGCC 플랜트는 전형적으로 보다 높은 효율 및 보다 높은 출력과 함께 보다 낮은 배출(emission)을 갖는다. 보다 높은 출력은, 공기 분리 유닛(Air Separation Unit) 또는 ASU로부터 얻어진 질소가 가스 터빈의 연소기 내에 도입되고, 이에 의해 가스 터빈을 통한 질량 유량을 증가시키고 연소를 위해 사용된 공기를 손상(vitiating)시킴으로써 전체 연소 온도 및 산소 농도를 감소시킬 때, IGCC 플랜트에서 성취된다. 개시된 본 발명의 실시예에 따른 연료-공기 혼합기(72)는 IGCC 플랜트에서의 사용에 적합하다. 특히, 연료-공기 혼합기(72)는 가스 터빈 연소기에 사용되고, 질소는 합성 가스를 연소시킬 때 반경방향 스월러(116) 내에 도입되어, 벽 근처에서의 높은 연료 농도를 감소시키고 연료 공기 혼합 특성을 증대시키는 것을 돕는다. 이 반경방향 스월러는 또한, 순수 수소의 연소 동안 질소가 반경방향 스월러를 통해 유동하여 슈라우드 내의 공기 및 수소와 혼합함으로써, 다시 연료-공기 혼합기의 출구에서의 국부적인 높은 당량비 구역을 피하도록, 활용될 수 있다.
전형적인 IGCC 가스 터빈 연소기에 있어서, 수소 및 질소는 연료 분사 포트를 통해 내측 및 외측 스월러(80, 82) 내로 함께 도입된다. 개시된 실시예의 몇몇에 있어서, 수소와 질소의 혼합과 연료 포트를 통한 혼합물의 도입 대신에, 전체 산소의 이용도를 감소시켜 종래 수준과 비교하여 70% 만큼 많이 NOx 수준을 감소시키기 위해, 수소가 연료 포트로 공급되고 질소가 반경방향 스월러에 의해 분사되거나 유입 공기와 함께 공급됨으로써 공기를 손상시킨다. 본 발명의 실시예 중 하나에 있어서, 연소기의 출구에서의 NOx 수준은 3 내지 5ppm이거나 낮다. 성능에 있어서의 그러한 개선은 손상된 공기가 연료-공기 혼합기(72)의 환형 슈라우드(90)에 있어서의 플래시백 및 화염 대기에 대한 증대된 저항을 제공하면서 성취된다. 그럼에도 불구하고, 비록 위의 요약된 장점이 IGCC 플랜트에 대해 명백하지만, 개시된 연료-공기 혼합기가 출력 생성 가스 터빈의 현 연소기를 개장(改裝)하기 위해 사용될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
상술된 연료-공기 혼합기는 또한, 시스템의 연소기에 있어서의 반응에 앞서 산소와 천연 가스의 예비혼합을 증대시키기 위해, 가스-대-액체 시스템에 채용될 수 있다. 전형적으로, 가스-대-액체 시스템은 공기 분리 유닛, 가스 처리 유닛 및 연소기를 포함한다. 작동시, 공기 분리 유닛은 공기로부터 산소를 분리하고, 가스 처리 유닛은 연소기에서의 전환을 위한 천연 가스를 준비한다. 공기 분리 유닛으로부터의 산소 및 가스 처리 유닛으로부터의 천연 가스는 연소기로 지향되고, 연소기에서 천연 가스 및 산소는 상승된 온도 및 압력에서 반응되어 합성 가스(synthesis gas)를 생성한다. 이 실시예에 있어서, 연료-공기 혼합기는 연소기에 결합되어, 연소기에 있어서의 반응에 앞서 산소와 천연 가스의 예비혼합을 촉진한다. 또한, 연료-공기 혼합기의 반경방향 스월러(116)는 유입되는 천연 가스의 연행(entrainment)을 촉진하여 높은 연료-대-산소 당량비(예를 들어, 약 3.5에서 약 4까지 및 그 이상)로 천연 가스와 산소의 혼합을 가능하게 함으로써, 상주 시간은 최소화시키면서 합성 가스 생산고를 최대화한다. 소정 실시예에 있어서, 처리 효율을 증대시키기 위해 산소 또는 연료에 증기가 추가될 수 있다.
합성 가스는 그 후 냉각되고 피셔-트롭시(Fischer-Tropsh) 처리 유닛 내로 도입되어, 촉매 반응를 통해, 수소 가스 및 일산화 탄소는 긴사슬 액체 탄화수소로 재조합된다. 마지막으로, 액체 탄화수소는 전환되어 크랙킹 유닛(cracking unit)에서 생성물질로 세분된다. 유리하게, 반경방향 스월러를 갖는 연료-공기 혼합기는 천연 가스와 산소의 급속한 예비혼합을 발생키기고, 액체 시스템에 대한 가스에 있어서의 상주 시간을 실질적으로 단축시킨다.
위에서 설명된 방법의 다양한 실시형태는 가스 터빈에 채용된 연소기 및 용광로와 같은 가열 장치와 같은 다양한 적용예에서 활용될 수 있다. 더욱이, 여기에서 설명된 기술은 연소 전에 연료와 공기의 예비 혼합을 증대시켜, 배출을 실질적으로 감소시키고 가스 터빈 시스템의 효율을 증대시킨다. 본 예비혼합 기술은, 비제한적으로 천연 가스, 탄화수소, 일산화 탄소, 수소, 생물 가스 및 합성 가스를 포함하는 높은 체적 발열량 및 낮은 체적 발열량의 가스 화석 연료와 같은 여러 연료에 대해 채용될 수 있다. 따라서, 이미 설명된 바와 같이, 연료-공기 혼합기는 오염물질 배출을 줄이기 위해 IGCC용의 연료 가변성 연소기에 채용될 수 있다. 소정 실시예에 있어서, 연료-공기 혼합기는 개조형(aeroderivative) 및 대용량 기계를 위한 항공기 엔진 수소 연소기 및 다른 가스 터빈 연소기에 채용될 수 있다. 더욱이, 연료-공기 혼합기는, 무 이산화 탄소 사이클 및 배기 가스 재순환에 특히 유용할, 순산소(oxy-fuel)와 같은 증기의 부분 혼합을 촉진하는 데에 활용될 수 있다.
따라서, 상술된 추가의 반경방향 스월러에 기초한 예비혼합 기술은 증가된 예비혼합 및 연소기에 있어서의 화염 안정화를 가능하게 한다. 더욱이, 본 기술은 그러한 연소기로부터의 배출, 특히 NOx 배출의 감소를 가능하게 하여, 환경 친화적인 방식으로 가스 터빈의 작동에 영향을 준다. 소정 실시예에 있어서, 이 기술은 연소기, 보다 구체적으로 수소 연소기를 횡단하는 압력 강하의 최소화를 촉진시킨다. 추가하여, 추가의 반경방향 스월러를 통해 달성된 증대된 예비혼합은 증대된 턴다운(turndown), 플래시백 저항 및 연소기에 대한 증가된 프레임아웃 마진(flameout margin)을 촉진한다.
예시된 실시예에 있어서, 보다 양호한 연료 및 공기의 혼합은 보다 양호한 턴다운을 허용하고, 약 0.2만큼 낮은 당량비를 갖는 천연 가스와 공기 혼합물에서의 작동을 허용한다. 추가로, 플레임아웃 마진은 현존하는 시스템과 비교하여 현저하게 개선된다. 더욱이, 앞서 설명한 바와 같이, 본 시스템은 다양한 연료와 함께 사용될 수 있어, 증대된 연료 가변성을 제공한다. 예를 들어, 설명된 바와 같이 유효 면적의 범위는 시스템이, 예를 들어 고에너지 함유 연료로서 천연 가스 또는 H2 및/또는 저에너지 함유 에너지로서 합성 가스를 채용하는 것을 허용한다. 그러한 시스템의 연료 가변성은 하드웨어 변경 또는 여러 연료에 대해 필요한 여러 연료 포트를 갖는 복잡한 구조물의 필요성을 제거한다. 상술된 바와 같이, 설명된 연료-공기 혼합물은 다양한 연료와 함께 채용될 수 있어, 시스템의 연료 가변성을 제공한다. 더욱이, 상술된 기술은 현존하는 캔형 또는 캔-환형 연소기에 채용되어 방출과 연소기 내에서의 동적 진동 및 변조를 감소시킬 수 있다. 또한, 예시된 장치는 현존하는 연소기에 파일럿(pilot)으로서 채용될 수 있다.
연소 시스템 내에 있어서 고에너지 함유 연료 또는 저에너지 함유 연료와 산화제를 예비혼합하는 방법 또한 개시된 본 발명의 실시예의 범위 내에 있으며, 그러한 방법은 연료-공기 혼합기의 환형 슈라우드 내측으로 산화제의 제 1 스트림(stream)을 끌어들이는 단계와, 산화제의 제 1 스트림의 제 1 부분을 외측 스월러 내에서 제 1 방향으로 소용돌이치게 하는 단계와, 산화제의 제 1 스트림의 제 2 부분을 내측 스월러 내에서 제 2 방향으로 소용돌이치게 하는 단계로서, 제 2 방향은 제 1 방향에 대향하는, 상기 단계와, 외측 스월러 내의 연료 입구 오리피스와 유동 연통하는 연료 슈라우드로부터 연료-공기 혼합기 내로 고에너지 함유 연료를 분사하는 단계; 또는 연료 플리넘으로부터 연료-공기 혼합기 내로 저에너지 함유 연료를 분사하는 단계로서, 연료 플리넘은 축방향으로 연장하고 사이에 갭을 형성하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 연료 플리넘의 상류부에 배치된 하나 이상의 연료 입구와, 연료 플리넘의 하류부에 있어서 내측 및 외측 슈라우드 사이에 형성된 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러를 갖고, 연료 플리넘의 내측 슈라우드는 내측 스월러의 외측 원주방향 단부 둘레에 원주방향으로 배치된, 상기 단계를 포함한다.
이상의 설명과 관련하여, 크기, 형태 함수 및 작동, 조립 및 사용의 방식에 있어서의 편차를 포함하는, 본 발명의 부품에 대한 최적 치수 관계가 당업자에게 명백하고 자명할 것이고, 따라서 도면에 도시되고 명세서에 설명된 것과 동등한 모든 관계는 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 포위되도록 의도됨을 이해하여야 한다. 추가하여, 본 발명이 현재 본 발명의 실용적이고 몇몇의 예시적인 실시예인 것으로 인정되는 것과 관련하여 도면에 도시되고 특정적이고 상세하게 완전히 상술되었지만, 많은 변경이 본 명세서에서 개시된 원칙 및 개념으로부터 일탈하지 않고 행해질 수 있음이 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 적정 범위는 모든 그러한 변경 및 동등물을 포괄하도록 첨부된 청구범위의 가장 넓은 해석에 의해서만 결정되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 연료-공기 혼합기를 갖는 연소기를 구비한 가스 터빈의 다이어그램을 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 도 1의 가스 터빈에 채용된 캔(can)형 연소기의 예시적인 구성을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 도 1의 가스 터빈에 채용된 환형 연소기의 다른 예시적인 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 연료-공기 혼합기를 갖는 다른 예시적인 저배출 환형 연소기의 부분 사시도,
도 5는 도 4의 연료-공기 혼합기의 사시도,
도 6은 상류측을 바라보는 하류측에 위치한 관찰자에 대한 도 4의 연료-공기 혼합기의 평면도,
도 7은 하류측을 바라보는 상류측에 위치한 관찰자에 대한 도 4의 연료-공기 혼합기의 저면도,
도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 다른 연료-공기 혼합기의 부분 사시도,
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 또 다른 연료-공기 혼합기의 부분 사시도,
도 10은 도 9의 연료-공기 혼합기의 반경방향 스월러(swirler)의 사시도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 가스 터빈 12 : 연소기
14 : 압축기 16 : 터빈
18 : 샤프트 72 : 연료-공기 혼합기
80 : 내측 스월러 82 : 외측 스월러
90 : 환형 슈라우드 116 : 반경방향 스월러

Claims (10)

  1. 연료-공기 혼합기에 있어서,
    축방향을 따라 연장하는 축방향 축선과, 반경방향을 따라 연장하는 반경방향 축선과, 상류측 및 하류측 단부를 갖는 환형 슈라우드(shroud)와,
    상기 환형 슈라우드의 축방향 축선을 따라 연장하는 중심 본체와,
    상기 중심 본체의 외측 표면 둘레에 배치된 내측 원주방향 단부를 갖는 내측 스월러(swirler)로서, 상기 환형 슈라우드의 상류측 단부에 배치된, 상기 내측 스월러와,
    축방향으로 연장하고 사이에 갭(gap)을 형성하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 연료 입구와, 하류부에서 상기 내측 및 외측 슈라우드 사이에 형성된 상기 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러를 갖는 연료 플리넘(fuel plenum)으로서, 상기 내측 슈라우드는 상기 내측 스월러의 외측 원주방향 단부 둘레에 원주방향으로 배치된, 상기 연료 플리넘과,
    상기 연료 플리넘의 외측 슈라우드 둘레에 배치된 내측 원주방향 단부를 갖는 외측 스월러로서, 상기 내측 및 외측 스월러는 상류측 단부에서 상기 환형 슈라우드 내로 진입하는 제 1 산화제 스트림(stream)의 각각의 제 1 및 제 2 부분의 독립적인 회전을 허용하도록 구성된, 상기 외측 스월러와,
    반경 방향으로 상기 제 2 스월러로부터 바깥쪽으로 상기 환형 슈라우드의 상류측 단부에 그리고 상기 환형 슈라우드 둘레에 원주방향으로 배치된 연료 슈라우 드로서, 상기 외측 스월러 내의 복수의 연료 분사 포트와 유동 연통하는, 상기 연료 슈라우드를 포함하는
    연료-공기 혼합기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료-공기 혼합기는 고에너지 함유 연료, 저에너지 함유 연료 및 그 조합으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 연료와 공기를 혼합하도록 구성된
    연료-공기 혼합기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연료 플리넘은 상기 연료 플리넘 스월러를 통해 분사용 저에너지 함유 연료를 상기 연료-공기 혼합기 내로 이송하도록 구성된
    연료-공기 혼합기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 연료 슈라우드는 상기 외측 스월러 내의 복수의 연료 분사 포트를 통해 분사용 고에너지 함유 연료를 상기 연료-공기 혼합기 내로 이송하도록 구성된
    연료-공기 혼합기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저에너지 함유 연료는 수소와 질소의 50/50 혼합물이거나, 상기 고에너지 함유 연료는 천연 가스이고, 2,000℉ 내지 3,000℉(또는 1,093℃ 내지 1,649℃) 범위의 화염 온도에 대한 상기 천연 가스의 분사를 위해, 상기 연료 플리넘 스월러의 유효 면적의 범위는, 상기 외측 스월러 내의 복수의 연료 분사 포트의 유효 면적보다 약 6.43 내지 약 8.57배 더 큰
    연료-공기 혼합기.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 저에너지 함유 연료는 수소와 질소의 60/40 혼합물이거나, 상기 고에너지 함유 연료는 천연 가스이고, 2,000℉ 내지 3,000℉(또는 1,093℃ 내지 1,649℃) 범위의 화염 온도에 대한 상기 천연 가스의 분사를 위해, 상기 연료 플리넘 스월러의 유효 면적의 범위는, 상기 외측 스월러 내의 복수의 연료 분사 포트의 유효 면적보다 약 4.2 내지 약 5.6배 더 큰
    연료-공기 혼합기.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 저에너지 함유 연료는 합성 가스이거나, 상기 고에너지 함유 연료는 천연 가스이고, 2,000℉ 내지 3,000℉(또는 1,093℃ 내지 1,649℃) 범위의 화염 온도에 대한 상기 천연 가스의 분사를 위해, 상기 연료 플리넘 스월러의 유효 면적의 범위는 상기 외측 스월러 내의 복수의 연료 분사 포트의 유효 면적보다 약 10.82 내지 약 14.43배 더 큰
    연료-공기 혼합기.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 고에너지 함유 연료는 순수 수소이고, 상기 순수 수소의 분사를 위한 상기 외측 스월러 내의 복수의 연료 분사 포트의 유효 면적의 범위는, 상기 고에너지 함유 연료가 천연 가스일 때와 동일한 유효 면적보다 약 1.6 내지 약 2.14배 더 큰
    연료-공기 혼합기.
  9. 연소 시스템에서 고에너지 함유 연료 또는 저에너지 함유 연료와 산화제를 예비혼합하는 방법에 있어서,
    산화제 입구를 통해 연료-공기 혼합기의 환형 슈라우드 내측으로 산화제의 제 1 스트림을 흡인하는 단계와,
    산화제의 상기 제 1 스트림의 제 1 부분을 외측 스월러 내에서 제 1 방향으로 소용돌이치게 하는 단계와,
    산화제의 상기 제 1 스트림의 제 2 부분을 내측 스월러 내에서 상기 제 1 방향과 반대인 제 2 방향으로 소용돌이치게 하는 단계와,
    상기 외측 스월러 내의 연료 입구 오리피스와 유동 연통하는 연료 슈라우드로부터 상기 연료-공기 혼합기 내로 고에너지 함유 연료를 분사하는 단계로서, 상 기 연료 슈라우드는 상기 제 1 및 제 2 스월러가 위치된 곳과 동일한 축방향 위치에 대체로 배치된, 상기 분사 단계; 또는
    연료 플리넘으로부터 상기 연료-공기 혼합기 내로 저에너지 함유 연료를 분사하는 단계로서, 상기 연료 플리넘은 축방향으로 연장하고 사이에 갭(gap)을 형성하는 내측 및 외측 슈라우드에 의해 형성된 환형부와, 상기 연료 플리넘의 상류부에 배치된 연료 입구와, 상기 연료 플리넘의 하류부에서 상기 내측 및 외측 슈라우드 사이에 형성된 상기 갭 내에 배치된 연료 플리넘 스월러를 갖고, 상기 연료 플리넘의 내측 슈라우드는 상기 내측 스월러의 외측 원주방향 단부 둘레에 원주방향으로 배치된, 상기 분사 단계를 포함하는
    고에너지 함유 연료 또는 저에너지 함유 연료와 산화제를 예비혼합하는 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 환형 슈라우드 내측으로 제 2 가스 스트림을 흡인하는 단계와,
    상기 제 2 가스 스트림을 반경방향 스월러 내에서 소용돌이치게 하는 단계로서, 상기 반경방향 스월러는 상기 연료 슈라우드와 상기 내측 및 외측 스월러의 축방향 위치의 하류측에 배치되고, 상기 제 2 가스 스트림은 상기 환형 슈라우드 외측의 구역으로부터 흡인되며, 상기 제 2 가스 스트림의 소용돌이침은 상기 환형 슈라우드의 출구에서 상기 환형 슈라우드의 벽 근처의 연료 농도를 제어하도록 되어 있는, 상기 단계를 더 포함하는
    고에너지 함유 연료 또는 저에너지 함유 연료와 산화제를 예비혼합하는 방법.
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