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催化燃烧过程的动态控制系统和方法以及利用其

催化燃烧过程的动态控制系统和方法以及利用其

  本发明涉及燃烧控制系统,更具体地涉及用于催化燃烧过程的动态实时燃烧控制系统和方法,特别是当它们涉及燃气涡轮发动机并由燃气涡轮发动机使用时。

  催化燃烧过程的动态控制系统和方法以及利用其的燃气涡轮发动机

  背景技术固体,液体和气体燃料的常规火焰燃烧已经使用了数百年以提供直接使用的热量,或间接地提供能量以驱动其他过程。利用这种传统火焰燃烧技术的应用包括熔炉,锅炉,燃气涡轮发动机等。
催化燃烧过程的动态控制系统和方法以及利用其
  随着对环境的关注增加,并且随着对燃烧过程的科学认识的提高,现在不可争辩的事实是,烃类燃料的常规火焰燃烧产生的排放是空气污染物的主要来源。目前这些与燃烧有关的空气污染物的生产速度正在对环境产生不利影响,这极大地可能危及地球上许多植物和动物物种(包括人类)的存在和福祉。对这一问题的认识,导致对燃烧技术的探索增加,这可以减少空气污染物的数量,并导致政府对各种污染物的管制增加,以尽量减少或消除它们对环境的影响。

  某些污染物如二氧化硫(SO2)是基于燃料的污染物。这些基于燃料的污染物的去除可以通过直接应用于燃料本身的处理过程来完成,或者通过燃烧后废气处理来在其后燃烧状态下直接从中去除污染物。

  其他污染物,例如一氧化碳(CO)和未燃烧的碳氢化合物(UHC),是由于传统燃烧过程中使用的燃料不完全氧化而产生的。诸如此类的污染物可以通过燃烧后氧化或通过改进燃烧过程本身来除去,以更完全地燃烧燃料。改善燃料完全燃烧的一种方法是提高空气和/或燃料组分的温度。燃烧温度的升高确保燃烧期间达到的温度足够高以促进燃烧反应的完成。然而,随着这些升高的温度降低一氧化碳的量,NO的排放呈指数增加(参见图1)。NO,是氮和氧的化合物,其含有NO和少量的NOZ。NO是在大气氮和氧在高温下化学重组时发生的复杂反应中产生的污染物。随着温度和压力的增加,产生的NO量增加。因此,NOr是副产物污染物,其由燃烧过程产生,特别是在往复式和燃烧式燃气涡轮机械中使用的内燃。

  与其他污染物一样,可以通过控制燃烧过程或从排气中去除这种污染物来消除NOY。从废气中除去NO的一种方法(如在汽车应用中所应用的)是使NO1与CO发生化学反应以产生氮气和二氧化碳(N和CO2)。然而,在一些高温燃烧应用中,例如在燃气涡轮发动机中,可用CO的量不足以除去通过高燃烧温度产生的大量NO。

  传统的火焰燃烧过程,例如在燃气涡轮发动机中使用的火焰燃烧过程(参见图2),在一个循环上运行,由此通过旋转的压缩机10对进气进行加压。该加压空气通过腔室或“燃烧器”12。其中燃料与空气混合并燃烧。允许高温燃烧气体在旋转涡轮机14上膨胀,这导致施加到涡轮轴16的扭矩。

  通常,涡轮机和压缩机连接到公共轴,使得由涡轮机产生的扭矩用于驱动压缩机,从而完成循环。另外,由于涡轮机产生的扭矩大大超过压缩机的“寄生负载”,因此同一轴可以连接到外部负载。正是这种外轴工作使燃气轮机成为机械能源。燃气涡轮机是用于为涡轮螺旋桨飞机,发电机,泵,压缩机和需要旋转轴动力的其他装置提供动力的常见发动机设计。
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