ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ГАЗИФИКАТОРОМ И ОБРАБОТКА ОТХОДОВ
POWER PLANT WITH GASIFICATOR AND WASTE PROCESSING

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Во многих энергетических установках использовалась газотурбинная система, в которой топливо сжигается при его нагнетании в воздух под давлением, в результате чего осуществляется нагрев и обеспечивается увеличение тепловой энергии газа. Затем энергия отбирается из нагретого газа посредством турбины, которая преобразует тепловую энергию в кинетическую энергию. Кинетическая энергия может быть использована для приведения в действие другого устройства, например, генератора. Процесс сгорания часто инициируется посредством источника воспламенения (например, свечи зажигания). Вследствие высокой температуры источника воспламенения и высокой концентрации топлива при его вводе в воздух сгорание является очень быстрым и почти мгновенным.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
4
Во время процессов газификации твердое топливо, содержащее углеродистые материалы, такое как уголь, нефть, биотопливо или биомасса, превращается, например, в моноксид углерода, водород и метан. Данные газообразные продукты могут быть использованы в качестве топлива в системах, которые в других отношениях несовместимы с твердым топливом. Газификация включает неполное сгорание материалов, при этом остаются горючие газы (например, CO, H и CH). Для очистки данных газов для работы в системах выработки энергии данные газы должны быть подвергнуты мокрой очистке или очищены от других составляющих, которые могут вызвать повреждения системы выработки энергии, таких как гудрон/смола и пыль. Процесс мокрой очистки может приводить к образованию токсичных сточных вод (или других жидкостей), которые содержат данные загрязняющие вещества. Кроме того, газы, образующиеся в результате процесса газификации, могут представлять собой очень бедные газы.
x
В данном документе описаны варианты осуществления интегрированных энергетических установок с газификацией, которые способны использовать бедные газы из процесса газификации и обрабатывать сточные воды, получаемые во время мокрой очистки газа. В некоторых вариантах осуществления газификатор соединен с камерой постепенного окисления, при этом камера окисления выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема загрязненной воды и окисления загрязняющих веществ, содержащихся в воде, при одновременном поддержании температуры камеры, которая обеспечивает существенное снижение и ограничение количества вредных выбросов (например, NO) в выхлопе системы. Система и способы, описанные в данном документе, дополнительно получают преимущество от ввода загрязненной воды для повышения потенциального выхода системы выработки энергии и для очистки воды.
В некоторых вариантах установки для постепенного окисления топливо подвергают окислению в реакционной камере, которая содержит воду, которая может содержать загрязняющие вещества из процесса газификации или загрязняющие вещества откуда-либо еще, разложение которых может быть предпочтительным. В некоторых вариантах осуществления, энергия, выделяемая при окислении топлива, подается в газовую турбину. Жидкое топливо, такое как этанол, смешанное со значительными количествами воды, как правило, не поддается мгновенному сжиганию, поскольку скрытая теплота, необходимая для испарения воды, вызывает подавление процесса сжигания. Кроме того, когда загрязняющие вещества содержатся в используемой воде, загрязняющие вещества также могут образовывать топливо, поскольку загрязняющие вещества окисляются в реакционной камере.
В некоторых вариантах осуществления, описанных в данном документе, система постепенного окисления с установкой для газификации твердого топлива включает в себя установку для газификации твердого топлива, которая обеспечивает извлечение газообразного топлива из твердого топлива; газоочиститель, который обеспечивает очистку газообразного топлива; камеру беспламенного горения, которая выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема очищенного газообразного топлива посредством первого впуска и поддержания процесса постепенного окисления газообразного топлива, при этом камера беспламенного горения содержит второй впуск, и устройство ввода, соединенное со вторым впуском и выполненное с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема загрязняющих веществ из газоочистителя и ввода загрязняющих веществ в камеру беспламенного горения. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры, достаточной для окисления загрязняющих веществ.
В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания процесса постепенного окисления без катализатора. Некоторые варианты осуществления обеспечивают очистку газообразного топлива водой посредством газоочистителя. В некоторых вариантах осуществления обеспечивается то, что загрязняющие вещества, принимаемые из газоочистителя, находятся в воде. В некоторых вариантах осуществления устройство ввода содержит компрессор для повышения давления воды перед вводом воды в камеру беспламенного горения. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры, достаточной для окисления газообразного топлива, в интервале времени от приблизительно 0,01 секунды до приблизительно 10 секунд. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры, достаточной для окисления газообразного топлива в интервале времени от приблизительно 0,05 секунды до приблизительно 5 секунд. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры, достаточной для окисления газообразного топлива в интервале времени от приблизительно 0,05 секунды до приблизительно 2 секунд. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры, достаточной для окисления газообразного топлива в интервале времени от приблизительно 0,1 секунды до приблизительно 1 секунды. В определенных вариантах осуществления система дополнительно включает в себя турбину, сообщающуюся по текучей среде с камерой беспламенного горения, при этом турбина выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема нагретой и сжатой текучей среды из камеры беспламенного горения и расширения данной текучей среды.
Некоторые способы, описанные в данном документе и предназначенные для окисления твердого топлива, включают извлечение газообразного топлива из твердого топлива посредством установки для газификации твердого топлива; очистку газообразного топлива водой; постепенное окисление газообразного топлива посредством камеры беспламенного горения, которая выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема очищенного газообразного топлива посредством первого впуска и поддержания процесса постепенного окисления газообразного топлива; ввод воды в камеру беспламенного горения; и поддержание внутренней температуры в камере беспламенного горения, достаточной для испарения и окисления воды и загрязняющих веществ в воде.
Некоторые способы дополнительно включают поддержание процесса постепенного окисления в камере беспламенного горения без катализатора. Некоторые способы дополнительно включают сжатие газообразного топлива перед постепенным окислением газообразного топлива посредством камеры беспламенного горения. Некоторые способы дополнительно включают сжатие воды перед вводом воды в камеру беспламенного горения. Некоторые способы дополнительно включают поддержание внутренней температуры в камере беспламенного горения, достаточной для окисления газообразного топлива, в интервале времени от приблизительно 0,1 секунды до приблизительно 1 секунды. Некоторые способы дополнительно включают расширение сжатой и нагретой текучей среды из камеры беспламенного горения посредством турбины, сообщающейся по текучей среде с камерой беспламенного горения.
Некоторые варианты осуществления содержат систему постепенного окисления с установкой для газификации твердого топлива, включающую в себя установку для газификации твердого топлива, которая обеспечивает извлечение и очистку газообразного топлива из твердого топлива; камеру беспламенного горения, которая выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема очищенного газообразного топлива посредством впуска и поддержания процесса постепенного окисления газообразного топлива; и устройство ввода, выполненное с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема загрязняющих веществ из установки для газификации и ввода загрязняющих веществ в камеру беспламенного горения. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры без катализатора, при этом указанная внутренняя температура достаточна для окисления загрязняющих веществ.
В некоторых вариантах осуществления установка для газификации содержит газоочиститель, который обеспечивает очистку газообразного топлива. Некоторые варианты осуществления обеспечивают очистку газообразного топлива водой посредством газоочистителя. В некоторых вариантах осуществления загрязняющие вещества, принимаемые устройством ввода, находятся в воде. В определенных вариантах осуществления устройство ввода содержит компрессор, предназначенный для повышения давления воды перед вводом воды в камеру беспламенного горения. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей поддержание внутренней температуры, достаточной для окисления газообразного топлива, в интервале времени от приблизительно 0,01 секунды до приблизительно 10 секунд.
В некоторых вариантах осуществления система дополнительно включает в себя турбину, сообщающуюся по текучей среде с камерой беспламенного горения, при этом турбина выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема нагретой и сжатой текучей среды из камеры беспламенного горения и расширения данной текучей среды. В некоторых вариантах осуществления нагретая и сжатая текучая среда из камеры беспламенного горения представляет собой газ.
Варианты реализации могут включать в себя один или несколько из следующих признаков. Подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод жидкости в реакционную камеру под давлением. Испарение жидкости включает испарение жидкости в реакционной камере, находящейся под давлением. Воздушно-топливная смесь, включающая в себя воздух и топливо, подается в реакционную камеру, находящуюся под давлением. Жидкость дополнительно включает в себя топливо, испарение жидкости включает испарение топлива и воды, и газ включает в себя испарившееся топливо и испарившуюся воду. Топливо включает в себя этанол, керосин и/или другие виды топлива. Жидкость включает в себя воду в количестве более пятидесяти объемных процентов, или жидкость включает в себя топливо в количестве более пятидесяти объемных процентов. Подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод испарившегося топлива и испарившейся воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением. Испарение жидкости включает испарение топлива и воды посредством смешивания жидкости с нагретым воздухом. Подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод нагретого воздуха, испарившегося топлива и испарившейся воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением. Топливный газ, образованный посредством испарения жидкого топлива, соединяется с испарившейся водой и/или воздухом. Подвод воды в реакционную камеру включает подвод смеси, состоящей из топливного газа, испарившейся воды и/или воздуха, в реакционную камеру. Окисление топлива обеспечивает образование газообразного продукта окисления. Газообразный продукт окисления расширяется в газовой турбине, которая обеспечивает приведение в действие генератора. Газ, образующийся при разложении отходов, поступает из места захоронения отходов/со свалки перед испарением жидкости. Газ, образующийся при разложении отходов, подвергается конденсации для образования жидкости, которая позднее испаряется. Газ, образующийся при разложении отходов, включает в себя топливо, и конденсация жидкости обеспечивает отделение воды от топлива. Жидкость включает в себя токсичный материал. Подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод токсичного материала в реакционную камеру.
В некоторых вариантах система включает в себя испаритель и реакционную камеру. Испаритель обеспечивает испарение жидкости, включающей в себя воду и топливо, для образования газа, включающего в себя воду и топливо. Испаритель имеет впуск испарителя, выполненный и расположенный с возможностью приема жидкости, и выпуск испарителя, выполненный и расположенный с возможностью отвода газа из испарителя. Реакционная камера выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность окисления топлива посредством воздуха под давлением, превышающим давление окружающей среды вокруг реакционной камеры. Реакционная камера имеет впуск реакционной камеры, сообщающийся с выпуском испарителя для приема газа, включающего в себя воду и топливо.
Варианты реализации могут иметь один или несколько из следующих признаков. Система включает в себя турбину, имеющую вход турбины, сообщающийся по текучей среде с выпуском реакционной камеры. Турбина выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема газа, выходящего из реакционной камеры, и преобразования тепловой энергии выходящего газа в механическую энергию посредством расширения выходящего газа между входом турбины и выходом турбины. Система включает в себя генератор, механически соединенный с турбиной. Генератор выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность преобразования механической энергии в электрическую энергию. Система включает в себя свалочный резервуар, который принимает текучие среды из отходов со свалки. Жидкость включает в себя, по меньшей мере, часть текучих сред из отходов. Система включает в себя конденсатор, который обеспечивает прием текучих сред из отходов из свалочного резервуара и конденсацию жидкости из текучих сред из отходов.
В некоторых вариантах окислительная реакционная камера имеет первый впуск, выполненный и расположенный с возможностью приема жидкости, включающей в себя воду, и подвода жидкости в реакционную камеру. Реакционная камера имеет второй впуск, выполненный и расположенный с возможностью приема газа, включающего в себя воздух, и подвода газа в реакционную камеру. Реакционная камера выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность испарения жидкости в реакционной камере для образования газовой смеси, включающей в себя воду, воздух и топливо. Реакционная камера выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность окисления топлива посредством воздуха в реакционной камере.
Варианты реализации могут иметь один или несколько из следующих признаков. Жидкость включает в себя топливо. Газ включает в себя топливо. Реакционная камера имеет третий впуск, выполненный и расположенный с возможностью подвода топлива в реакционную камеру. Реакционная камера имеет выпуск, сообщающийся по текучей среде с турбиной.
x
x
В данном документе описаны способы и варианты осуществления для нагнетания воды или пара в газотурбинные системы. Сжигание большего количества газа в газовых турбинах может обеспечить увеличение полезной мощности турбин. Однако это может привести к увеличению количества сжигаемого топлива и к возникновению более высоких температур, что приводит к увеличению образования вредных газообразных оксидов азота (NO). В некоторых вариантах осуществления за счет подачи воды или пара в систему система постепенного окисления, описанная в данном документе, может обеспечить окисление топлива без увеличения образования NO при одновременном увеличении выхода системы.
В некоторых вариантах осуществления описано, что топливо из систем окисляется посредством беспламенного процесса постепенного окисления, когда воздушно-топливная смесь проходит вдоль проточного канала в реакционной камере. Топливо предпочтительно окисляется при температуре, достаточно низкой, чтобы уменьшить или предотвратить образование и/или выброс вредных соединений, таких как оксиды азота, и при температуре, достаточно высокой, чтобы обеспечить окисление топлива и других загрязняющих веществ, которые введены в камеру. Воздушно-топливная смесь проходит через реакционную камеру и поглощает тепло от внутренней поверхности реакционной камеры, включая, возможно, тепло от наполнителя, который может содержаться в камере. В некоторых вариантах осуществления реакционная камера не содержит наполнитель, и воздушно-топливная смесь, проходящая через реакционную камеру, поглощает тепло из существующего газа или других компонентов в реакционной камере. Температура воздушно-топливной смеси постепенно повышается, когда смесь проходит через реакционную камеру. Когда температура воздушно-топливной смеси достигнет температуры самовозгорания или превысит температуру самовозгорания топлива, топливо подвергается экзотермической реакции окисления.
Многие варианты осуществления, описанные в данном документе, предусматривают добавление пара или воды в систему по одной или нескольким из множества причин (например, для уменьшения вероятности возгорания, для регулирования температуры, для повышения эффективности и/или выхода и т.д.). Как описано в дальнейшем в данном документе, данная операция является отдельной от ввода воды или пара в системы сжигания.
Некоторые способы, описанные в данном документе, включают испарение жидкости, содержащей воду, для образования газа, содержащего воду; подвод воды в реакционную камеру, в которой давление повышено до значений, превышающих давление окружающей среды в пространстве снаружи реакционной камеры; и окисление топлива посредством воздуха в реакционной камере, находящейся под давлением и содержащей воздух, топливо и воду, при одновременном поддержании максимальной температуры топлива в реакционной камере на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксидов азота.
В некоторых способах подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод жидкости в реакционную камеру, находящуюся под давлением, и при этом испарение жидкости включает испарение жидкости в реакционной камере, находящейся под давлением. Некоторые способы дополнительно включают подвод воздушно-топливной смеси, включающей в себя воздух и топливо, в реакционную камеру, находящуюся под давлением. В некоторых случаях жидкость дополнительно содержит топливо, испарение жидкости включает испарение топлива и воды, и газ содержит испарившееся топливо и испарившуюся воду.
В некоторых способах топливо содержит, по меньшей мере, одно из соединений, представляющих собой этанол или керосин. В некоторых случаях жидкость содержит воду в количестве более пятидесяти объемных процентов. В некоторых способах подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод газа, содержащего испарившееся топливо и испарившуюся воду, в реакционную камеру, находящуюся под давлением, и способ дополнительно включает подвод воздуха в реакционную камеру, находящуюся под давлением.
Некоторые способы дополнительно включают смешивание воздуха с газом, содержащим испарившееся топливо и испарившуюся воду, при этом подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод смеси, содержащей воздух, испарившееся топливо и испарившуюся воду, в реакционную камеру, находящуюся под давлением. В некоторых способах подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод жидкости в реакционную камеру, находящуюся под давлением, и испарение жидкости включает испарение жидкости в реакционной камере, находящейся под давлением.
В некоторых способах жидкость дополнительно содержит топливо, испарение жидкости включает испарение топлива и воды посредством смешивания жидкости с нагретым воздухом, и при этом газ содержит нагретый воздух, испарившееся топливо и испарившуюся воду. В некоторых случаях подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод газа, содержащего нагретый воздух, испарившееся топливо и испарившуюся воду, в реакционную камеру, находящуюся под давлением.
В некоторых способах предусмотрено то, что окисление топлива обеспечивает образование газообразного продукта окисления, при этом способ дополнительно включает расширение газообразного продукта окисления в газовой турбине. В некоторых способах расширение газообразного продукта окисления в газовой турбине обеспечивает приведение в действие генератора, механически соединенного с газовой турбиной.
Некоторые способы дополнительно включают прием газа, образующегося при разложении отходов, с полигона/свалки перед испарением жидкости и конденсацию жидкости из газа, образующегося при разложении отходов. В некоторых способах газ, образующийся при разложении отходов, содержит топливо. В некоторых способах жидкость содержит загрязняющие вещества, и подвод воды в реакционную камеру, находящуюся под давлением, включает подвод загрязняющих веществ в реакционную камеру, и при этом загрязняющие вещества окисляются в реакционной камере.
В некоторых вариантах осуществления, описанных в данном документе, раскрыты системы, которые включают в себя испаритель, который обеспечивает испарение жидкости, содержащей воду, для образования газа, содержащего воду, при этом испаритель имеет впуск испарителя, выполненный и расположенный с возможностью приема жидкости, и выпуск испарителя, выполненный и расположенный с возможностью отвода газа из испарителя. Системы могут дополнительно включать в себя реакционную камеру, содержащую впуск реакционной камеры, сообщающийся по текучей среде с выпуском испарителя для приема газа, при этом реакционная камера выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность окисления топлива посредством воздуха при одновременном удерживании топлива, воздуха и газа под давлением, превышающим давление окружающей среды вокруг реакционной камеры, и при одновременном поддержании максимальной температуры в реакционной камере на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксидов азота.
В некоторых вариантах осуществления жидкость дополнительно включает в себя топливо в жидком состоянии, и газ дополнительно содержит топливо в газообразном состоянии. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что реакционная камера дополнительно содержит один или несколько дополнительных впусков реакционной камеры, выполненных и расположенных с возможностью приема, по меньшей мере, одного из компонентов, представляющих собой топливо и воздух. Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя турбину, имеющую вход турбины, сообщающийся по текучей среде с выпуском реакционной камеры, при этом турбина выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема продукта окисления из реакционной камеры и преобразования тепловой энергии продукта окисления в механическую энергию посредством расширения продукта окисления между входом турбины и выходом турбины. Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя генератор, механически соединенный с турбиной, при этом генератор выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность преобразования механической энергии в электрическую энергию.
В некоторых вариантах осуществления, описанных в данном документе, раскрыта окислительная реакционная камера, имеющая первый впуск, выполненный и расположенный с возможностью подвода жидкости, содержащей воду, во внутренний объем реакционной камеры; второй впуск, выполненный и расположенный с возможностью подвода газа, содержащего воздух, во внутренний объем, при этом реакционная камера выполнена с возможностью окисления топлива посредством воздуха во внутреннем объеме при одновременном поддержании максимальной температуры в реакционной камере на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксидов азота, и выпуск, выполненный и расположенный с возможностью отвода выходящего газа из внутреннего объема, при этом выходящий газ содержит воду и газообразный продукт окисления, образованный посредством окисления топлива во внутреннем объеме.
В некоторых вариантах осуществления жидкость дополнительно содержит топливо, и в некоторых вариантах осуществления газ дополнительно содержит топливо. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что выпуск сообщается по текучей среде с входом турбины. В некоторых вариантах осуществления жидкость дополнительно содержит загрязняющие вещества, и максимальная температура в реакционной камере находится на уровне температуры окисления загрязняющих веществ или превышает температуру окисления загрязняющих веществ. В некоторых вариантах осуществления газ дополнительно содержит загрязняющие вещества, которые могут быть окислены в реакционной камере, и температура в окислительной камере находится на уровне температуры, предназначенной для окисления загрязняющих веществ, или превышает данную температуру.
Некоторые варианты осуществления, описанные в данном документе, включают в себя систему постепенного окисления, имеющую канал для впуска текучей среды; компрессор, который обеспечивает прием текучей среды, содержащей первую топливную смесь, из канала для впуска текучей среды и сжатие текучей среды, содержащей первую топливную смесь; инжектор, который обеспечивает ввод второй топливной смеси в текучую среду, при этом вторая топливная смесь содержит жидкость, представляющую собой смесь топлива и воды, в которой вода составляет от 50 до 80 объемных процентов во второй топливной смеси; и камеру постепенного окисления, которая обеспечивает прием текучей среды из компрессора и поддержание процесса беспламенного окисления текучей среды в камере без катализатора.
Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя турбину, которая обеспечивает прием нагретой и сжатой текучей среды из камеры постепенного окисления и расширение данной текучей среды. В некоторых вариантах осуществления инжектор обеспечивает ввод второй топливной смеси перед сжатием текучей среды компрессором. В некоторых вариантах осуществления инжектор обеспечивает ввод второй топливной смеси в текучую среду после сжатия текучей среды и перед поступлением текучей среды в камеру постепенного окисления. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что инжектор обеспечивает ввод второй топливной смеси в камеру постепенного окисления.
Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя компрессор, который обеспечивает сжатие второй топливной смеси перед вводом второй топливной смеси в камеру постепенного окисления. В некоторых вариантах осуществления вторая топливная смесь содержит, по меньшей мере, одно из веществ, представляющих собой этанол, бензин и нефтяные дистилляты. В некоторых вариантах осуществления вторая топливная смесь содержит смесь воды и топлива с содержанием топлива, составляющим приблизительно 25 объемных процентов. В некоторых вариантах осуществления инжектор выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность нагнетания второй топливной смеси в систему в виде жидкости. В некоторых вариантах осуществления инжектор выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность нагнетания второй топливной смеси в систему в виде газа. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что соотношение компонентов в смеси топлива и воды во второй топливной смеси базируется на определении воздушно-топливной смеси в первой топливной смеси, и в некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что соотношение компонентов в воздушно-топливной смеси базируется на определении смеси топлива и воды.
В некоторых вариантах осуществления, описанных в данном документе, система постепенного окисления включает в себя канал для впуска текучей среды; компрессор, который обеспечивает прием текучей среды, содержащей топливную смесь, из канала для впуска текучей среды и сжатие текучей среды, содержащей топливную смесь; инжектор, который обеспечивает ввод пара в текучую среду после сжатия текучей среды; камеру постепенного окисления, которая обеспечивает прием текучей среды из компрессора и поддержание процесса беспламенного окисления текучей среды в камере без катализатора; и турбину, которая обеспечивает прием нагретой и сжатой текучей среды из камеры постепенного окисления и расширение данной текучей среды.
В некоторых вариантах осуществления инжектор обеспечивает ввод пара перед сжатием текучей среды посредством компрессора. В некоторых вариантах осуществления инжектор обеспечивает ввод пара в текучую среду после сжатия текучей среды и перед поступлением текучей среды в камеру постепенного окисления. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что инжектор обеспечивает ввод пара в камеру постепенного окисления. Некоторые варианты осуществления дополнительно включают в себя компрессор для пара, который обеспечивает сжатие пара перед вводом пара в камеру постепенного окисления.
Некоторые способы, описанные в данном документе и предназначенные для постепенного окисления топливной смеси, включают всасывание воздуха в систему постепенного окисления посредством канала для впуска текучей среды; смешивание воздуха с топливом для образования топливной смеси; сжатие топливной смеси; нагнетание пара в систему для соединения пара с топливной смесью; постепенное окисление топливной смеси в камере постепенного окисления, которая обеспечивает поддержание процесса беспламенного окисления текучей среды без катализатора; направление нагретой и сжатой текучей среды из камеры постепенного окисления в турбину; и расширение данной текучей среды посредством турбины.
В некоторых способах пар нагнетают в систему перед сжатием топливной смеси. В некоторых способах пар нагнетают в систему после сжатия топливной смеси и перед постепенным окислением топливной смеси. В некоторых способах пар нагнетают в камеру постепенного окисления.
Некоторые способы, раскрытые в данном документе и предназначенные для постепенного окисления топливной смеси, включают всасывание воздуха в систему постепенного окисления посредством канала для впуска текучей среды; смешивание воздуха с топливом для образования первой топливной смеси; сжатие топливной смеси; нагнетание второй топливной смеси в систему для объединения второй топливной смеси с первой топливной смесью, при этом вторая топливная смесь содержит жидкость, содержащую смесь топлива и воды, при этом вода составляет от 50 до 80 объемных процентов во второй топливной смеси; и постепенное окисление первой и второй топливных смесей в камере постепенного окисления, которая обеспечивает поддержание процесса беспламенного окисления текучей среды без катализатора.
Некоторые способы дополнительно включают направление нагретой и сжатой текучей среды из камеры постепенного окисления в турбину и расширение данной текучей среды посредством турбины. В некоторых способах вторая топливная смесь нагнетается в систему перед сжатием текучей среды посредством компрессора. В некоторых способах вторая топливная смесь нагнетается в систему после сжатия текучей среды и перед поступлением текучей среды в камеру постепенного окисления. В некоторых способах вторая топливная смесь нагнетается в камеру постепенного окисления. Некоторые способы дополнительно включают сжатие второй топливной смеси посредством компрессора перед вводом второй топливной смеси в камеру постепенного окисления.
В некоторых вариантах осуществления вторая топливная смесь содержит, по меньшей мере, одно из веществ, представляющих собой этанол, бензин и нефтяные дистилляты. В некоторых вариантах осуществления вторая топливная смесь содержит смесь топлива и воды с содержанием топлива, составляющим приблизительно 25 объемных процентов. В некоторых вариантах осуществления вторая топливная смесь нагнетается в систему в виде жидкости. В некоторых вариантах осуществления вторая топливная смесь нагнетается в систему в виде газа. Некоторые варианты осуществления дополнительно включают определение соотношения компонентов воздушно-топливной смеси в первой топливной смеси и регулирование соотношения компонентов смеси топлива и воды во второй топливной смеси на основе соотношения компонентов первой топливной смеси.
В некоторых вариантах осуществления, описанных в данном документе, система постепенного окисления включает в себя установку для газификации твердого топлива, которая обеспечивает извлечение газообразного топлива из твердого топлива; газоочиститель, который обеспечивает удаление загрязняющих веществ из газообразного топлива посредством очищающей жидкости; и камеру беспламенного горения, которая обеспечивает (i) прием очищающей жидкости и загрязняющих веществ из газоочистителя, (ii) поддержание внутренней температуры, достаточной для обеспечения процесса постепенного окисления, и (iii) такое время пребывания, что по существу все загрязняющие вещества из газоочистителя окисляются в камере беспламенного горения. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания процесса постепенного окисления без катализатора.
В некоторых вариантах осуществления системы газообразное топливо очищается водой посредством газоочистителя. В определенных вариантах осуществления загрязняющие вещества, принимаемые из газоочистителя, находятся в воде, и устройство ввода содержит компрессор для повышения давления воды перед вводом воды в камеру беспламенного горения. Камера беспламенного горения предпочтительно выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры, достаточной для окисления газообразного топлива, в интервале времени от приблизительно 0,01 секунды до приблизительно 10 секунд. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения обеспечивает поддержание максимальной температуры на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксида азота.
В определенных вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема газообразного топлива из газоочистителя и окисления газообразного топлива во время процесса постепенного окисления. В некоторых случаях камера беспламенного горения обеспечивает прием и окисление по существу всего газообразного топлива из газоочистителя. В определенных случаях камера беспламенного горения обеспечивает прием и окисление первой части газообразного топлива из газоочистителя, и вторая часть газообразного топлива из газоочистителя распределяется из системы. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения обеспечивает прием газообразного топлива из газоочистителя посредством первого впуска и прием дополняющего газообразного топлива из второго впуска.
Некоторые варианты осуществления включают в себя турбину, сообщающуюся по текучей среде с камерой беспламенного горения. Турбина предпочтительно выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема нагретого и сжатого газа из камеры беспламенного горения и расширения данного газа.
В описании в некоторых вариантах осуществления также описана система постепенного окисления, включающая в себя первый впуск, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность подвода загрязненной жидкости в систему; второй впуск, выполненный с конфигурацией, обеспечивающей возможность подвода топлива в систему; камеру беспламенного горения, которая обеспечивает прием загрязненной жидкости и топлива и поддержание внутренней температуры, достаточной для обеспечения процесса постепенного окисления, при одновременном поддержании максимальной температуры в камере горения на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксида азота так, что топливо и загрязняющие вещества в жидкости окисляются; и выпуск, выполненный и расположенный с возможностью отвода выходящего газа из камеры горения, при этом выходящий газ содержит газообразный продукт окисления, образованный посредством процесса постепенного окисления в камере горения. В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания процесса постепенного окисления без катализатора.
В определенных вариантах осуществления система может быть выполнена с такой конфигурацией, что газоочиститель обеспечивает прием загрязненной жидкости и очистку газообразного топлива водой. В некоторых вариантах осуществления загрязненная жидкость содержит воду из газоочистителя. В определенных вариантах осуществления топливо включает в себя газообразное топливо из газоочистителя, и камера беспламенного горения обеспечивает окисление газообразного топлива во время процесса постепенного окисления. В системе может быть предусмотрен компрессор, который обеспечивает повышение давления загрязненной жидкости перед поступлением жидкости в камеру беспламенного горения.
В некоторых вариантах осуществления камера беспламенного горения выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность поддержания внутренней температуры, достаточной для окисления газообразного топлива, в интервале времени от приблизительно 0,01 секунды до приблизительно 10 секунд. В определенных вариантах осуществления камера беспламенного горения обеспечивает поддержание максимальной температуры на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксида азота. Некоторые варианты осуществления также включают в себя турбину, сообщающуюся по текучей среде с камерой беспламенного горения, при этом турбина выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность приема выходящего газа и расширения выходящего газа.
В данном документе описаны способы окисления твердого топлива, которые включают операции извлечения газообразного топлива из твердого топлива посредством установки для газификации твердого топлива; очистки газообразного топлива очищающей жидкостью в газоочистителе для удаления загрязняющих веществ из газообразного топлива; отвода очищающей жидкости и загрязняющих веществ из газоочистителя в камеру беспламенного горения; и окисления загрязняющих веществ в камере горения посредством (i) поддержания внутренней температуры в камере горения, достаточной для обеспечения процесса постепенного окисления и (ii) обеспечения такого времени пребывания в камере горения, что по существу все загрязняющие вещества из газоочистителя окисляются в камере горения.
В некоторых способах предусмотрено, что камера беспламенного горения обеспечивает поддержание процесса постепенного окисления без катализатора. В некоторых способах предусмотрено, что газообразное топливо очищают водой посредством газоочистителя. В некоторых способах загрязняющие вещества, принимаемые камерой горения из газоочистителя, находятся в воде. Определенные способы дополнительно включают сжатие воды и загрязняющих веществ посредством компрессора перед окислением в камере беспламенного горения. В некоторых способах время пребывания составляет от приблизительно 0,01 секунды до приблизительно 10 секунд.
Определенные способы также включают отвод нагретого и сжатого газа из камеры беспламенного горения в турбину и расширение газа в турбине. Некоторые способы дополнительно включают отвод газообразного топлива из газоочистителя в камеру беспламенного горения и окисление газообразного топлива во время процесса постепенного окисления. В некоторых способах по существу все газообразное топливо из газоочистителя отводится в камеру беспламенного горения и окисляется посредством камеры беспламенного горения.
В некоторых способах предусмотрено то, что первая часть газообразного топлива из газоочистителя отводится в камеру беспламенного горения и окисляется посредством камеры беспламенного горения, и вторая часть газообразного топлива из газоочистителя распределяется в стороне от камеры горения. В некоторых способах газообразное топливо отводят в камеру беспламенного горения посредством первого впуска, и камера горения обеспечивает прием дополняющего газообразного топлива из второго впуска. В определенных способах предусмотрено, что камера горения обеспечивает поддержание максимальной внутренней температуры на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксида азота.
В данном документе описаны способы окисления загрязняющих веществ в жидкости, включающие операции подвода загрязненной жидкости в камеру беспламенного горения посредством первого впуска; подвода топлива в камеру беспламенного горения посредством второго впуска; и окисления загрязняющих веществ в загрязненной жидкости вместе с топливом в камере беспламенного горения посредством (i) поддержания внутренней температуры в камере горения, достаточной для обеспечения процесса постепенного окисления, (ii) поддержания максимальной температуры в камере горения на уровне ниже температуры, которая вызывает образование оксида азота, и (iii) обеспечения такого времени пребывания в камере горения, что по существу все загрязняющие вещества из газоочистителя окисляются в камере горения. В некоторых способах предусмотрено то, что камера беспламенного горения обеспечивает поддержание процесса постепенного окисления без катализатора. В некоторых способах время пребывания составляет от приблизительно 0,01 секунды до приблизительно 10 секунд.
В определенных способах предусмотрено, что загрязненная жидкость отводится в камеру горения из газоочистителя, который обеспечивает очистку газообразного топлива водой. В некоторых способах загрязненная жидкость содержит воду из газоочистителя. В некоторых способах предусмотрено, что топливо содержит газообразное топливо из газоочистителя, и камера беспламенного горения обеспечивает окисление газообразного топлива во время процесса постепенного окисления. Определенные способы дополнительно включают сжатие загрязненной жидкости перед подводом жидкости в камеру беспламенного горения. Некоторые способы дополнительно включают отвод нагретого и сжатого газа из камеры беспламенного горения в турбину и расширение газа в турбине.
Детали одного или нескольких вариантов осуществления данных идей приведены на сопровождающих чертежах и в нижеприведенном описании. Другие признаки, цели и преимущества данных идей станут очевидными из описания и чертежей и из формулы изобретения.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Общая конфигурация, в которой реализованы различные признаки изобретения, будет описана далее со ссылкой на чертежи. Чертежи и соответствующие описания приведены для иллюстрации вариантов осуществления изобретения, а не для ограничения объема изобретения. На всех чертежах ссылочные позиции используются неоднократно для указания соответствия между обозначенными элементами.
Фиг.1А представляет собой схематическое изображение вариантов осуществления энергетической установки с газификатором.
Фиг.1В представляет собой схематическое изображение вариантов осуществления энергетической установки с газификатором.
Фиг.2А представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления энергетической установки с газификатором.
Фиг.2В представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления энергетической установки с газификатором.
Фиг.3А представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления энергетической установки с газификатором.
Фиг.3В представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления энергетической установки с газификатором.
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение вариантов осуществления газотурбинной системы.
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления газотурбинной системы.
Фиг.6 представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления газотурбинной системы.
Фиг.7А представляет собой блок-схему, показывающую поток текучей среды в приведенной в качестве примера, окислительной реакционной системе.
Фиг.7В представляет собой блок-схему, показывающую поток текучей среды в приведенной в качестве примера, окислительной реакционной системе.
Фиг.7С представляет собой блок-схему, показывающую поток текучей среды в приведенной в качестве примера, окислительной реакционной системе.
Фиг.7D представляет собой блок-схему, показывающую поток текучей среды в приведенной в качестве примера, окислительной реакционной системе.
Фиг.8 представляет собой схематическое изображение вариантов осуществления газотурбинной системы.
Фиг.9 представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления газотурбинной системы.
Фиг.10 представляет собой схематическое изображение дополнительных вариантов осуществления газотурбинной системы.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Газификация твердого топлива, такого как уголь или биомасса, может быть использована для образования газообразного топлива. Во время процессов газификации углеродистые материалы, такие как уголь, нефть, биотопливо или биомасса, превращаются, например, в моноксид углерода и водород посредством ввода исходного материала в реакцию при высоких температурах с регулируемым количеством кислорода и/или пара. Данные процессы приводят к образованию газов, которые могут быть использованы в качестве топлива в системах, которые в противном случае несовместимы с твердым топливом.
2
4
В некоторых вариантах осуществления процессов газификации предусмотрено твердое топливо, содержащее органический материал. Газификация биомассы, представляющая собой один пример, представляет собой неполное сгорание биомассы, которое приводит к образованию горючих газов, включающих в себя моноксид углерода (CO), водород (Н) и метан (СН). Данная смесь может быть названа генераторным газом или топливным газом. Топливный газ может быть использован для работы двигателей внутреннего сгорания, может быть использован в качестве замены котельного мазута и может быть использован для производства метанола. Поскольку материал биомассы может подвергаться газификации, данный процесс вызывает интерес при сравнении его с производством этанола или биогаза, при котором только из отдельных видов материалов биомассы может быть получено топливо. Газификация биомассы приведена только в качестве примера процессов газификации, и предусмотрено, что данное изобретение не ограничено газификацией биомассы, поскольку процессы газификации могут быть выполнены с использованием других углеродистых материалов.
Во время газификации ограниченное количество кислорода или воздуха вводят в реактор вместе с органическим материалом для обеспечения возможности незначительного или частичного окисления некоторой части органического материала, образования моноксида углерода и выработки энергии. Данный первый процесс инициирует вторую реакцию, которая обеспечивает дальнейшее преобразование органического материала в водород и дополнительный диоксид углерода. Третья реакция происходит, когда моноксид углерода и остаточная вода из органического материала вступают в реакцию с образованием метана и избытка диоксида углерода. Данная третья реакция происходит с большей полнотой в реакторах, которые обеспечивают увеличение времени пребывания химически активных газов и органических материалов, а также повышение температуры и давления в реакторе.
2
4
2
Продукты полного сгорания биомассы обычно содержат азот, водяной пар, диоксид углерода и могут содержат кислород и азот. Однако при неполном сгорании при газификации продукты представляют собой горючие газы (например, СО, Н и СН). К менее полезным продуктам процесса газификации относятся, например, гудрон/смола и пыль. Образование топливных газов обеспечивается за счет реакции водяного пара и диоксида углерода посредством, например, раскаленного слоя древесного угля. Таким образом, во многих системах газификации процессы включают создание условий, при которых обеспечивается превращение биомассы в древесный уголь, и поддержание соответствующей температуры древесного угля для превращения древесного угля в СО и Н. Среди различных типов систем газификации имеются, например, газификаторы с нисходящим потоком, газификаторы с восходящим потоком и газификаторы с поперечным потоком.
4
Однако некоторые особенности данного газообразного топлива и процессов, которые используются для образования данного газообразного топлива, обуславливают ограниченное применение процессов газификации. Например, большинство процессов газификации обеспечивают образование бедного газа. Например, получаемый в некоторых процессах газификации, топливный газ включает только приблизительно 2-6 объемных процентов СН. Низкое процентное содержание топливного газа ограничивает возможные способы его использования. В данном документе описаны способы и системы, в которых топливный газ используется при таких же низких уровнях, какие обеспечиваются данными процессами газификации.
Во многих процессах газификации влага образуется при использовании топливного газа или за счет реакций, предусмотренных в процессе, или за счет обработки топливного газа. В некоторых случаях топливный газ должен быть подвергнут промыванию/мокрой очистке или очистке. Это может быть выполнено посредством очистки газа водой. Это может привести к увеличению содержания влаги в топливном газе, что может сделать топливный газ менее пригодным для многих применений. В данном документе описаны способы и системы, в которых топливный газ и скрубберная вода используются системой выработки энергии как для очистки скрубберной воды, так и увеличения выхода системы выработки энергии за счет ввода скрубберной воды в систему выработки энергии.
В результате процессов газификации также образуются нежелательные компоненты, такие как гудрон/смола. Как упомянуто выше, один способ очистки топливного газа заключается в мокрой очистке газа водой. Данный процесс нежелателен, поскольку вода становится загрязненной гудроном/смолой и другими углеводородами, извлеченными из газа. В этом случае вода становится опасными отходами, и удаление данной воды может быть очень дорогостоящим. Удаление гудрона/смолы из газа также осуществлялось посредством фильтров, которые требуют регулярного технического обслуживания и могут привести к периодическим остановам системы для очистки или замены фильтров. В данном документе описаны варианты осуществления интегрированной энергетической установки с газификатором, в которой обеспечивается мокрая очистка топливного газа водой и последующая подача воды в систему окисления, в которой осуществляется испарение воды и окисление гудрона/смолы и других углеводородов помимо использования бедного газообразного продукта газификации для выработки электрической энергии. Данные способы и системы обеспечивают выработку энергии и образуют средство полного потребления загрязненной воды.
2
4
4
5
6
7
Фиг.1А показывает варианты осуществления интегрированной системы 50 газификации и окисления. Твердое топливо 21 и 23 подается посредством транспортера 22 в газификатор 19 через приемный бункер 24 газификатора. Газификатор включает в себя воздуходувку 20, которая обеспечивает подачу воздуха, предназначенного для вступления в реакцию с топливом таким образом, что обеспечивается частичное или неполное окисление. Посредством цепи зависящих от температуры и времени реакций газификатор обеспечивает преобразование твердого топлива в топливный газ с такими компонентами, как СО, Н и СН. Топливный газ также содержит азот и диоксид углерода, уменьшающие его энергосодержание. Другие сложные углеводороды, такие как Cs, Cs, Cs и Cs, и зола, также образуются во время процесса газификации. Некоторые из данных продуктов захватываются газом как загрязняющие вещества, такие как гудрон/смолы и твердые частицы, как упомянуто выше.
Есть основания полагать, что загрязняющие вещества в топливном газе нанесут вред конечным потребителям газа и должны быть удалены из газа. Например, если газ будет охлажден для использования в качестве топлива для газовых турбин, загрязняющие вещества могут повредить компрессор и компоненты турбины. Данное охлаждение и удаление загрязняющих веществ обеспечиваются, например, посредством мокрой очистки газа, выходящего из газификатора, посредством струи воды в газоочистителе 27. Посредством насоса 108, труб 28 и 30 и распылительного сопла 29 обеспечивается циркуляция воды, содержащейся в резервуаре 104. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено, что вода охлаждается во время циркуляции. Вода из резервуара 104 становится все более загрязненной, когда она очищает новые потоки газа. В некоторых вариантах осуществления другие жидкости используются для мокрой очистки топливного газа, и данные варианты осуществления функционируют аналогичным образом.
Как проиллюстрировано на фиг.1А, в интегрированной системе 50 с газификатором и газовой турбиной может использоваться вода, имеющая загрязняющие вещества, содержащиеся в ней. В некоторых вариантах осуществления загрязняющие вещества могут представлять собой гудрон/смолу и другие углеводороды, которые могут быть окислены во время процесса постепенного окисления. Во время данного процесса гудрон/смола и углеводороды могут использоваться в качестве топлива, поскольку они будут полностью окисляться и «вносить вклад» в качестве топлива в системе. Соответственно, как описано в данном документе, вода с топливом может быть названа водой, смешанной с топливным газом, или водой с загрязняющими веществами, которые будут окисляться в реакционной камере 101. Кроме того, как описано в данном документе, вода с загрязняющими веществами может быть названа водой с топливным газом или загрязняющими веществами из газификатора 19.
Приведенная в качестве примера система 50 по фиг.1А включает в себя источник 110 воздуха (например, окружающего воздуха), который может быть соединен с газификатором 19 и может принимать подвергнутый мокрой очистке, топливный газ посредством питающей линии 31. Система также включает в себя компрессор 114, турбину 115, теплообменник 122, устройство 108 создания давления, испарительную камеру 118 и реакционную камеру 101. Интегрированная энергетическая установка с газификатором может включать в себя дополнительные компоненты, меньшее число компонентов и/или другие компоненты, которые могут быть использованы таким же и/или другим образом.
Источник 110 воздуха обеспечивает подачу воздуха для процессов окисления в реакционной камере 101. Источник 110 воздуха обеспечивает подачу газа из газификатора 19, который смешивается с воздухом. Источник 110 воздуха может обеспечить подачу воздуха из атмосферы, окружающей систему 50. Воздух из источника 110 воздуха может содержать кислород в любой концентрации, достаточной для окисления топлива. Воздух из источника 110 воздуха может включать в себя другие газы помимо газообразного кислорода. Например, воздух может включать в себя азот, диоксид углерода и/или другие химически активные или химически неактивные газы.
Воздух из источника 110 воздуха может быть подведен в компрессор 114. В приведенной в качестве примера системе 50, показанной на фиг.1А, компрессор 114 может получать механическую энергию вращательного движения от турбины 115 посредством вала. Механическая энергия вращательного движения от турбины 115 может быть использована в компрессоре 114 для повышения давления воздушно-топливной смеси в компрессоре 114. В некоторых вариантах реализации система 50 может включать в себя компрессор, который работает по-другому.
Сжатый воздух может быть подведен из компрессора 114 в теплообменник 122. Процесс сжатия вызывает нагрев воздуха, и воздух может быть дополнительно нагрет посредством теплообменника 122. Теплообменник 122 получает сжатый воздух из компрессора 114, обеспечивает нагрев сжатого воздуха и подвод нагретого сжатого воздуха в реакционную камеру 101. Теплообменник 122 также может получать выхлопной газ из турбины 115. В теплообменнике 122 тепло от выхлопного газа может использоваться для предварительного нагрева сжатого воздуха. Например, выхлопной газ и воздушно-топливная смесь могут контактировать с противоположными сторонами теплопередающей конструкции, проходя через теплообменник 122. Теплопередающая конструкция может обеспечить отбор тепловой энергии из выхлопного газа, имеющего более высокую температуру, и передачу данной тепловой энергии воздуху, имеющему более низкую температуру.
В показанном примере резервуар 104 для текучей среды содержит жидкую смесь 102, которая включает в себя воду в жидком состоянии и топливо и/или загрязняющие вещества из процесса газификации. Резервуар 104 для текучей среды может содержать дополнительные и/или другие газ, жидкость и/или твердые вещества. Резервуар 104 для текучей среды может включать в себя любой тип системы или контейнера для удерживания жидкости с любым пригодным размером или конфигурацией. Резервуар 104 для текучей среды может иметь впуски и/или выпуски, которые обеспечивают подвод текучей среды в резервуар 104 для текучей среды и отвод текучей среды из резервуара 104 для текучей среды. В некоторых примерах жидкая смесь 102 включает в себя жидкий этанол, жидкий керосин и/или жидкое топливо другого типа. В некоторых примерах жидкая смесь 102 включает в себя гудрон/смолу и другие загрязняющие вещества из процесса газификации. Жидкая смесь 102 может включать в себя воду из любого источника воды.
Жидкая смесь 102 может включать в себя текучие среды из источника текучих сред. Возможны многие различные типы источников текучих сред. К некоторым примерам источников текучих сред относятся предприятия винодельческой промышленности, предприятия по производству этанола, мусорные свалки/места захоронения отходов, предприятия по производству спиртов, нефтеперерабатывающие заводы, металлургические предприятия, химические заводы, нефтяные месторождения, предприятия общественного питания и/или другие источники жидкого топлива и/или воды в жидком состоянии. В используемом в данном документе смысле термин «текучая среда» представляет собой общий термин, и предусмотрено, что он охватывает, без ограничения, вещества, которые способны течь подобно жидкости или газу. В некоторых вариантах осуществления понятие «текучее топливо» относится к газообразному топливу, но во многих вариантах осуществления понятие «текучее топливо» может относиться к топливу, которое находится, по меньшей мере, в одном состоянии из жидкого и газообразного состояний. В некоторых вариантах осуществления понятие «текучее топливо» может относиться как к жидкому топливу, так и к газообразному топливу.
Жидкая смесь 102 может быть подведена из резервуара 104 для текучей среды в испарительную камеру 118. В приведенной в качестве примера, показанной системе 50 трубопровод 106 и устройство 108 создания давления обеспечивают сообщение по текучей среде между выпуском резервуара 104 для текучей среды и впуском испарительной камеры 118. Устройство 108 создания давления может представлять собой насос или устройство другого типа, которое вызывает поток текучей среды из резервуара 104 в испарительную камеру 118. Испарительная камера 118 может включать в себя теплообменник или нагревательное устройство другого типа, которое обеспечивает повышение температуры жидкой смеси 102.
Повышение температуры жидкой смеси может привести к увеличению скорости, с которой испаряются жидкости в испарительной камере 118. Выхлоп из системы 50 и/или другие источники тепловой энергии могут быть использованы для нагрева жидкостей в испарительной камере 118. В показанном примере трубопровод 124 обеспечивает подвод тепловой энергии к испарительной камере 118 от теплообменника 122. После передачи тепловой энергии испарительной камере 118 выхлоп может быть отведен в атмосферу посредством выпуска 112.
Жидкая смесь 102 испаряется в испарительной камере 118 для образования газовой смеси. Газовая смесь, образующаяся в испарительной камере 118, может включать в себя пары топлива из жидкого топлива в смеси 102 и/или водяные пары из воды в жидком состоянии, имеющейся в смеси 102. Например, нагрев жидкой смеси, представляющей собой смесь этанола и воды, может обеспечить испарение как этанола, так и воды.
Газовая смесь, образованная в испарительной камере 118, может быть подведена в реакционную камеру 101. В примере, показанном на фиг.1А, газовая смесь, которая включает в себя испарившиеся воду и топливо или загрязняющие вещества, поступает в трубопровод 120 и из трубопровода 120 в трубопровод 128 для ее смешивания со сжатым и предварительно нагретым воздухом из теплообменника 122. Поскольку испарительная камера 118 на фиг.1А обеспечивает образование газообразной смеси топлива и воды, смешивание потока, выходящего из испарительной камеры 118, с воздухом в трубопроводе 120 вызывает образование газообразной смеси воздуха, топлива и воды. Как упомянуто выше, поскольку загрязняющие вещества будут окисляться в реакционной камере 101, даже загрязняющие вещества называются в данном документе топливами.
Воздух и топливо удерживаются в реакционной камере 101 в процессе окисления топлива. Окисление топлива в реакционной камере 101 может быть инициировано посредством повышения температуры топлива до температуры, равной температуре самовозгорания топлива или превышающей температуру самовозгорания топлива. Система 50 может обеспечить инициирование окисления в реакционной камере 101 независимо от материалов, представляющих собой катализаторы окисления (например, платину), и независимо от источника возгорания (например, пламени или искры зажигания). Топливо может быть окислено посредством воздуха в реакционной камере 101 без повышения температуры воздушно-топливной смеси до температуры, превышающей пороговую температуру, например, посредством поддержания максимальной температуры топлива в реакционной камере на уровне ниже пороговой температуры. Пороговая температура может быть определена на основе одного или нескольких факторов, например, пороговая температура может представлять собой рекомендованную или максимальную рабочую температуру турбины, рекомендованную или максимальную температуру на входе турбины, температуру, которая вызывает образование оксидов азота, температуру, выбранную исходя из скорости потока топлива, проходящего через реакционную камеру 101 и/или других факторов.
В некоторых вариантах реализации топливо окисляется в реакционной камере 101 при температуре, которая ниже температуры, вызывающей образование оксидов азота. По существу, реакционная камера 101 может обеспечить окисление практически всего топлива при одновременном образовании только минимальных количеств оксидов азота. Например, выхлопной газ 112 из системы может включать в себя каждое из веществ, представляющих собой оксид азота, летучие органические соединения (VOCs) и СО, в количестве менее одной части на миллион и может даже обеспечить уменьшение концентраций летучих органических соединений и СО, содержащихся в поступающем воздухе.
В некоторых случаях теплоаккумулирующая способность огнеупорных материалов в реакционной камере 101 может служить в качестве компенсатора/демпфера, обеспечивающего поглощение тепла и предотвращение избыточных температур, которые могли бы вызвать повреждение турбины и/или образование нежелательных побочных продуктов (например, оксидов азота, диоксидов углерода, летучих органических соединений и/или других). В некоторых случаях теплоаккумулирующая способность огнеупорных материалов в реакционной камере 101 может обеспечить временный источник тепловой энергии, который может способствовать поддержанию процесса окисления топлива.
Реакционная камера 101 может иметь один или несколько впусков. Каждый из впусков может обеспечить подвод воздуха, топлива, воды или любой комбинации данных компонентов в реакционную камеру. Например, газообразная смесь топлива и воды из испарительной камеры 118 может быть подведена непосредственно в реакционную камеру 101. В некоторых вариантах реализации жидкая смесь 102 может быть подведена непосредственно в реакционную камеру 101 в жидком состоянии, как будет проиллюстрировано в вариантах осуществления, описанных в данном документе. Реакционная камера 101 имеет один или несколько выпусков, которые обеспечивают подвод окисленного топлива и/или других материалов в турбину 115.
В показанном примере выпускная труба 132 обеспечивает подвод выходящего газа к входу турбины 115 посредством трубопровода 130. Когда топливо, содержащееся в водяной смеси, включает в себя загрязняющие вещества из газификатора, может быть предпочтительным включение фильтра 32 в магистраль с трубой 132 для гарантирования того, что нагретый воздух, проходящий к турбине 115, не вызовет повреждений турбины или других компонентов системы 50. Фильтр 32 может быть выполнен с конфигурацией, обеспечивающей возможность улавливания золы или пыли, которые образуются в результате окисления загрязняющих веществ или других компонентов в водяной смеси 102.
Во время процесса нагрева и/или во время длительной работы газ, выходящий из реакционной камеры 101 по выпускам, может включать в себя продукты полного окисления топлива, химически неактивные газы и только ничтожно малые количества оксидов азота и диоксида углерода. В некоторых случаях газ, выходящий из реакционной камеры 101 по выпускам, может включать в себя неокисленное топливо, оксиды азота, диоксид углерода и/или другие материалы в количествах, превышающих ничтожно малые количества.
Турбина 115 обеспечивает преобразование энергии газообразного продукта окисления в механическую энергию вращательного движения. Приведенная в качестве примера турбина 115 обеспечивает прием окисленного топлива через вход турбины, расширение окисленного топлива между входом турбины и выходом турбины и отвод расширенного газа через выход турбины. В некоторых вариантах реализации смесь остается в реакционной камере 101 достаточно долго для окисления по существу всего топлива в смеси, включая загрязняющие вещества из газификатора. В некоторых случаях тепло, выделяющееся в реакционной камере 101 при окислении испарившегося топлива и/или загрязняющих веществ в жидкой смеси 102, может обеспечить достаточную тепловую энергию для нагрева поступающего топлива до температуры окисления при одновременном поддержании внутренней температуры реакционной камеры 101 на уровне выше температуры, требуемой для окисления топлива и снабжения турбины 115 энергией.
После этого выходящий газ подается в турбину 115, и турбина 115 обеспечивает преобразование тепловой энергии выходящего газа в механическую энергию вращательного движения. Механическая энергия вращательного движения, отдаваемая турбиной 115, обеспечивает приведение в действие компрессора 114, и турбина 115 обеспечивает подвод газа, выходящего из выхода турбины 115, к теплообменнику 122. Выходящий газ снабжает теплообменник 122 тепловой энергией и затем предпочтительно подводится в испарительную камеру 118 для снабжения испарительной камеры 118 тепловой энергией. Выходящий газ выходит из системы через выход 112, например, посредством выхлопной трубы.
Скрубберная и/или охлаждающая вода (или другая охлаждающая жидкость) в резервуаре 104 обеспечивает улавливание гудрона/смолы, твердых частиц и других растворимых загрязняющих веществ из потока газа в газификаторе. Жидкость подается насосом 108 по трубе 28 в скрубберный резервуар 27, в котором она распыляется на поток газа, выходящий из газификатора 19 и поступающий в скрубберный резервуар 27 по трубе 26. Скрубберная жидкость обеспечивает улавливание гудрона/смолы и твердых частиц из газа и перемещение гудрона/смолы и твердых частиц в резервуар 104 по трубе 30. Когда концентрация гудрона/смолы и твердых частиц в воде или жидкости достигает достаточно высокого значения, грязная вода или жидкость закачивается в испаритель 18. Может быть добавлена система охлаждения, предназначенная для снижения температуры жидкости перед ее рециклингом для дальнейшей мокрой очистки. Испаритель 118 нагревают посредством газа, выходящего из теплообменника 10, но при этом сохраняется достаточное количество тепла для испарения грязной воды или жидкости. Пары из испарителя 118 подаются в трубу 128 и оттуда в реакционную камеру 101, в которой топливная часть пара и часть пара, образованная загрязняющими веществами, окисляются с использованием любого полезного тепла от газа.
В некоторых случаях грязная вода слишком загрязнена, и испаритель 118 может не обладать способностью обеспечить испарение всех загрязняющих веществ в воде посредством тепла отходящего газа. Для такой ситуации могут быть использованы системы, показанные на фиг.2А-3В.
Фиг.2А иллюстрирует дополнительные варианты осуществления интегрированной системы 60 с газификатором. В данной конфигурации испарившаяся вода вместе с испарившимися или захваченными загрязняющими веществами вводится непосредственно в реакционную камеру 101 из испарителя 118, после чего реакция продолжается в значительной степени так же, как ранее.
Фиг.3А иллюстрирует дополнительные варианты осуществления интегрированной системы 70 с газификатором, в которой загрязненная вода распыляется непосредственно в реакционную камеру 101, и при этом она не проходит сначала через испарительную камеру 118. Как только вода и загрязняющие вещества окажутся в реакционной камере 101, вода и загрязняющие вещества окисляются, и газы, образованные таким способом, перемещаются через реакционную камеру 101 и в турбину 115. Если распыление воды характеризуется тенденцией охлаждения реакционной камеры 101, поток может быть ограничен или временно прекращен до тех пор, пока реакционная камера 101 не станет снова достаточной горячей. Любая зола, которая переносится, будет захвачена или на пористых средах внутри реакционной камеры 101, или в высокотемпературном фильтре 32. К другим потенциальным средствам улавливания золы относятся использование гравитации, изменения направлений потока или сепараторы циклонного типа. В альтернативном варианте двойная система может быть использована так, что если содержание золы будет слишком высоким, может быть использована вторая реакционная камера 101, так что во время удаления золы из одной реакционной камеры другая находится в процессе эксплуатации.
Удаление загрязненной воды может способствовать или не способствовать повышению эффективности и/или выхода системы в зависимости от того, как выполняется процесс. Если загрязненная вода содержит значительные количества углеводородов, энергия в углеводородах может быть выделена, в результате чего будет увеличена выходная мощность за счет использования топлива, которое в противном случае шло бы в отходы. Кроме того, если тепло газов, выходящих из системы, используется для образования пара в конфигурациях по фиг.1А-2В, общая эффективность системы может быть повышена.
x
x
В некоторых конфигурациях, описанных выше, температура внутри реакционной камеры 101 может поддерживаться на уровне ниже 2300°F (1260°С), при этом данная температура - это температура, при которой начинают образовываться вредные NO. Следовательно, данные варианты осуществления имеют дополнительное преимущество, заключающееся в предотвращении образования NO.
Фиг.1В, 2В и 3В показывают варианты осуществления интегрированных энергетических установок с газификатором с многими признаками, аналогичными установкам, проиллюстрированным на фиг.1А, 2А и 3А. В вариантах осуществления, показанных на фиг.1В, 2В и 3В, системы выполнены с конфигурацией, обеспечивающей возможность перенаправления газообразного топлива, образуемого газификатором, для использования вне системы помимо направления газообразного топлива в реакционную камеру 101 через источник 110 воздуха. Трубопровод 33 показан как соединенный с газоочистителем 27 и трубопроводом 31. Газообразное топливо может быть перенаправлено посредством трубопровода 33 для использования вне системы, когда существует меньшая потребность в газообразном топливе в реакционной камере 101. Когда существует большая потребность в газообразном топливе в реакционной камере 101, количество газообразного топлива, направление потока которого изменено посредством трубопровода 33 для использования вне системы, может быть уменьшено для обеспечения достаточного количества газообразного топлива для процесса окисления в реакционной камере 101. Количество газообразного топлива, которое перенаправляется посредством трубопровода 33, может быть уменьшено до состояния, при котором все газообразное топливо из газоочистителя 27 направляется в источник 110 воздуха.
Одно преимущество настоящего изобретения заключается в том, что окисление топлива и загрязняющих веществ в реакционной камере выполняется посредством процесса постепенного окисления. Во время данного процесса постепенного окисления температура в реакционной камере поддерживается на уровне температуры, которая обеспечивает полное окисление топлива и загрязняющих веществ без образования вредного выхлопа. Поскольку используется процесс постепенного окисления, содержание влаги в топливе не оказывает отрицательного влияния на окисление топлива. Во многих камерах сгорания содержание влаги может вызывать подавление воспламенения топлива и, тем самым, делать камеру ненадежной. Однако, поскольку процесс постепенного окисления выполняется без сжигания топлива, окисление топлива и загрязняющих веществ может выполняться независимо от повышенного содержания влаги. Действительно, во многих случаях повышенное содержание влаги может обеспечивать дополнительные преимущества.
Ниже описаны дополнительные варианты осуществления систем постепенного окисления, которые могут быть использованы вместе с интегрированной энергетической установкой с газификатором. Несмотря на то что газификатор не проиллюстрирован в данных вариантах осуществления, среднему специалисту в данной области техники будет понятно, как газификатор будет работать, исходя из предшествующих описаний систем и операций, описанных ниже. В нижеприведенных вариантах осуществления смесь воды и топлива может включать в себя, если в явной форме не разъяснено иное, подаваемую воду, которая содержит загрязняющие вещества из процесса газификации, которые будут окисляться в реакционной камере посредством процесса постепенного окисления, поскольку загрязняющие вещества могут «служить» в качестве топлива во время данного процесса.
Как упомянуто выше, топлива, содержащие воду, часто не совместимы с некоторыми обычными процессами сжигания, поскольку содержание воды в топливе делает его негорючим. Кроме того, вода испаряется при воспламенении топлива, и скрытая теплота парообразования обусловлена отбором тепла из процесса сжигания. Если содержание воды в топливе слишком высокое, сжигание не может осуществляться. Этанол, обычный спирт, который может быть получен из фруктов, сахарного тростника, зерна, целлюлозных отходов и других источников, был использован в качестве возобновляемого топлива, но этанол, как правило, получают посредством образования сначала разбавленной смеси этанола и воды и последующего отделения воды от смеси. Вода и этанол полностью смешиваются, и отделение воды требует дорогостоящей дистилляции. Даже дистилляция обычно не может обеспечить отделение всей воды от этанола, и, как правило, необходимы специальные процессы для того, чтобы сделать этанол полностью безводным. Аналогичным образом, водно-масляные смеси из топливных резервуаров и резервуаров для сбора сточных вод часто транспортируют к средствам для сепарации и/или разложения воды в целях обработки, которые могут быть довольно дорогостоящими. Газовая турбина, которая может эффективно потреблять смеси топлива и воды, может обеспечить уменьшение потребления топлива, затраты на топливо, снижение требований к очистке и/или уменьшение ущерба окружающей среде. В некоторых обычных системах скрытая теплота испарения жидкого топлива и любой захваченной воды вызывает снижение кпд энергетического цикла газовой турбины.
В приведенной в качестве примера системе 100, показанной на фиг.4, смесь 102 топлива и воды хранится в резервуаре 104. Смесь 102 топлива и воды может включать в себя загрязняющие вещества из газификатора. Смесь может быть закачана посредством использования устройства 108 создания давления через теплообменник/испаритель 118. Выходящий газ, выходящий из теплообменника 122 по трубе 124, подается в испаритель 118, в котором обеспечивается испарение жидкой смеси топлива и воды. За счет испарения жидкого топлива и воды посредством избыточного тепла, которое в противном случае было бы отведено в атмосферу, скрытая теплота парообразования обеспечивается из источника избыточного тепла и, таким образом, не вызывает существенного снижения кпд системы.
В некоторых вариантах реализации общая эффективность системы может быть повышена. Например, подсчитано, что для многих обычных видов жидкого топлива (например, этанола, бензина, нефтяных дистиллятов и/или других) смесь топлива и воды, которая имеет 25 объемных процентов топлива, может быть подвергнута испарению только за счет избыточного тепла, отбираемого из выхлопа системы. Дополнительное преимущество заключается в том, что испарившаяся вода может обеспечить увеличение массового потока газовой смеси и, следовательно, также может обеспечить повышение выходной мощности турбины. В некоторых вариантах осуществления смесь воды и топлива может включать в себя загрязняющие вещества из газификатора.
x
В некоторых вариантах реализации ущерб окружающей среде может быть уменьшен за счет уменьшения выбросов загрязняющих веществ и/или других вредных материалов. Например, система 100 может обеспечить окисление топлива таким способом, который обеспечивает уменьшение или устранение выбросов оксидов азота (NO), моноксида углерода (СО), летучих органических соединений (VOCs) и/или других типов потенциально опасных газов.
x
x
x
x
x
В некоторых вариантах реализации система 100 может обеспечить уменьшение или устранение образования оксидов азота за счет поддержания максимальной температуры топлива на уровне ниже 2300°F (1260°С) во время длительной работы (температуры свыше 2300 градусов Фаренгейта (°F) могут вызвать образование оксидов азота). За счет регулирования температуры и времени пребывания внутри реакционной камеры газотурбинная система может обеспечить образование выхлопных газов, имеющих содержание моноксида углерода (СО), составляющее менее одной части на миллион (ppm), и/или содержание оксида азота (NO), составляющее менее одной части на миллион. В некоторых вариантах осуществления система 100 может быть выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность образования выхлопных газов, имеющих содержание NO, составляющее менее 5 частей на миллион. В некоторых вариантах осуществления система 100 может быть выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность образования выхлопных газов, имеющих содержание NO, составляющее менее 3 частей на миллион. В некоторых вариантах осуществления система 100 может быть выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность образования выхлопных газов, имеющих содержание NO, составляющее менее 2 частей на миллион. Некоторые системы обеспечивают образование выхлопных газов, имеющих содержание СО, составляющее 15 частей на миллион или более, и/или содержание NO, составляющее 15 частей на миллион или более.
В некоторых вариантах осуществления система 100 выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность уменьшения или устранения образования оксидов азота за счет поддержания максимальной температуры в реакционной камере 101, которая ниже пороговой температуры, при которой происходит значительное образование оксидов азота. Например, в некоторых вариантах осуществления максимальная температура в реакционной камере 101 составляет менее 2300°F (1260°С). В некоторых вариантах осуществления максимальная температура в реакционной камере 101 находится в интервале от приблизительно 2000°F (1093,3°С) до приблизительно 2300°F (1260°С). В некоторых вариантах осуществления максимальная температура в реакционной камере 101 находится в интервале от приблизительно 2100°F (1148,9°С) до приблизительно 2300°F (1260°С). В некоторых вариантах осуществления максимальная температура в реакционной камере 101 находится в интервале от приблизительно 2200°F (1204,4°С) до приблизительно 2300°F (1260°С). В некоторых вариантах осуществления максимальная температура в реакционной камере 101 может превышать приблизительно 2300°F (1260°С) или составлять менее приблизительно 2000°F (1093,3°С).
Некоторые смеси топлива и воды (например, смеси этанола и воды, побочные продукты переработки биомассы и другие) сравнительно легко получать, но они требуют дополнительной обработки для некоторых современных энергетических установок. Подобное топливо может быть непосредственно использовано в системе, описанной в данном документе, для выработки энергии, и в некоторых случаях обеспечивает выработку даже большего количества энергии, чем топливо, которое не смешано с водой. В некоторых случаях энергетическая установка может работать на смеси топлива и воды, которая представляет собой большей частью воду. Например, смесь испарившихся топлива и воды может быть подана в реакционную камеру, которая обеспечивает окисление топлива, и энергия от окисления топлива может обеспечить приведение в действие турбины.
В некоторых случаях эффективность/кпд дополнительно повышается за счет использования тепла отходящих газов турбины для испарения всей или части смеси топлива и воды перед подводом смеси топлива и воды в реакционную камеру. Кроме того, поток массы через систему может увеличиваться за счет пара, образующегося из воды, что может привести к дополнительному увеличению выхода системы. Увеличенный выход (без увеличения количества вводимого топлива) может также обеспечить повышение эффективности. В некоторых вариантах реализации водяной пар из подобной системы обеспечивает увеличение потока массы, проходящего через окислитель, максимум на приблизительно 6%, при этом обеспечиваемая в результате эффективность и потенциальный выход повышаются максимум на приблизительно 5%. Например, в системе с мощностью 200 кВт увеличение мощности может составлять приблизительно 12 кВт без увеличения потребления топлива.
В некоторых вариантах осуществления смесь, содержащая приблизительно 25% этанола и приблизительно 75% воды, может испаряться посредством отходящего тепла из энергетической установки, и турбинная система может осуществлять обработку образующейся в результате, испарившейся смеси для выработки энергии. В некоторых вариантах осуществления смесь может включать в себя приблизительно 20% этанола и 80% воды, и в дополнительных вариантах осуществления смесь может включать в себя приблизительно 15% этанола и 85% воды. В дополнительных вариантах осуществления смесь может иметь содержание воды, превышающее приблизительно 85%, и/или содержание этанола, составляющее менее приблизительно 15%. Например, в некоторых вариантах осуществления смесь может включать в себя до приблизительно 15% этанола. В некоторых вариантах осуществления смесь может включать в себя от приблизительно 2% до приблизительно 15% этанола. В вариантах осуществления, которые имеют низкое содержание топлива, например, в вариантах осуществления со смесью с содержанием этанола, составляющим от приблизительно 2% до приблизительно 15%, дополнительное топливо может быть добавлено для дополнения смеси с низким содержанием топлива, как разъяснено в дальнейшем в данном документе. В некоторых вариантах осуществления могут быть использованы другие виды топлива, отличные от этанола, с теми же или аналогичными соотношениями.
Фиг.4 показывает пример газотурбинной системы 100, в которой может использоваться топливо, смешанное с водой. Приведенная в качестве примера система 100 включает в себя источник 110 воздуха (например, окружающего воздуха), компрессор 114, турбину 115, теплообменник 122, резервуар 104 для жидкости, устройство 108 создания давления, испарительную камеру 118 и реакционную камеру 101. Как показано на фиг.4, приведенная в качестве примера система 100 может также включать в себя генератор 119 электрической энергии. В приведенной в качестве примера, показанной системе вал 105 механически соединяет турбину 115 с компрессором 114 и генератором 119 (при этом комбинацию турбины 115, компрессора 114 и генератора 119 называют турбогенератором). Газотурбинная система может включать в себя дополнительные компоненты, меньшее число компонентов и/или другие компоненты, которые могут быть использованы таким же и/или другим образом.
Приведенный в качестве примера источник 110 воздуха обеспечивает подачу воздуха для процессов окисления в реакционной камере 101. Углеводородное топливо окисляется при его нагреве до температуры, превышающей температуру его самовозгорания, в присутствии кислорода. Источник 110 воздуха обеспечивает подачу газа, содержащего кислород, который смешивается с топливом для окисления топлива. В некоторых вариантах осуществления источник 110 воздуха обеспечивается для системы 100 посредством газификатора, как разъяснено в вариантах осуществления в данном документе. Источник 110 воздуха может обеспечить подачу воздуха из атмосферы, окружающей систему 100. Воздух из источника 110 воздуха может содержать кислород в любой концентрации, достаточной для окисления топлива. Воздух из источника 110 воздуха может включать в себя другие газы помимо газообразного кислорода. Например, воздух может включать в себя азот, диоксид углерода и/или другие химически активные или химически неактивные газы.
В некоторых вариантах осуществления горючие газы могут быть добавлены в источник 110 воздуха для регулирования эксплуатационных характеристик системы 100. Например, в вариантах осуществления, в которых смесь с низким содержанием топлива не содержит достаточного количества топлива для самоподдерживающегося разложения или в которых процесс окисления не может поддерживаться, горючие газы могут быть добавлены вместе с воздухом в источнике 110 воздуха для обеспечения достаточного количества топлива для процесса окисления. Горючие газы, которые могут быть добавлены в источник 110 воздуха, включают, например, без ограничения, водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, n-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, n-пентан, ацетилен, гексан и моноксид углерода.
В некоторых вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 110 воздуха, может регулироваться в зависимости от количества топлива, обнаруживаемого в смеси 102 топлива и воды. Если содержание топлива в смеси 102 топлива и воды изменяется так, что смесь 102 будет иметь нежелательную концентрацию топлива, в ответ на это количество горючих газов, добавляемых в источнике 110 воздуха, может быть увеличено или уменьшено. В некоторых вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 110 воздуха, зависит от величины содержания топлива в смеси 102 топлива и воды, поступающей в систему 100. В некоторых вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 110 воздуха, зависит от сочетания величины содержания топлива в смеси 102 топлива и воды и температуры в реакционной камере 101. В некоторых вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 110 воздуха, зависит от сочетания величины содержания топлива в смеси 102 топлива и воды и изменения температуры или скорости изменения температуры в реакционной камере 101.
Величина содержания топлива в смеси 102 топлива и воды может быть определена в резервуаре 104 для жидкости, между устройством 108 создания давления и испарительной камерой 118 или между испарительной камерой 118 и реакционной камерой 101. Поскольку в некоторых случаях некоторая часть топлива в смеси 102 топлива и воды может окисляться при нагреве смеси 102 топлива и воды посредством испарительной камеры 118, в некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что содержание топлива в смеси 102 топлива и воды определяется между испарительной камерой 118 и реакционной камерой 101. В подобных вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 110 воздуха, зависит от содержания топлива в смеси 102 топлива и воды, определенного между испарительной камерой 118 и реакционной камерой 101.
В некоторых случаях смесь 102 топлива и воды может содержать дополнительные компоненты, которые могут не считаться топливом. Например, в некоторых вариантах осуществления смесь 102 топлива и воды может содержать загрязняющие вещества и воду. Загрязненная вода может представлять собой побочный продукт какого-либо другого процесса, и загрязненная вода подводится в систему 100 для окисления загрязненной воды или сточных вод. Например, загрязненная вода может поступать из газоочистителя, который представляет собой часть газификатора, как описано выше. В процессе газификации вода используется для очистки образующегося в результате, газообразного топлива от загрязняющих веществ перед распределением газообразного топлива для использования. После этого загрязненная вода подается в систему 100, например, посредством осаждения загрязненной воды в резервуаре 104 для жидкости. Затем загрязненная вода всасывается в систему 100 способом, аналогичным описанному выше в отношении смеси 102 топлива и воды, и вода испаряется во время окисления загрязняющих веществ в реакционной камере 101. Таким образом, система 100 может функционировать в качестве средства обработки и очистки загрязненной, токсичной или сточной воды. Система 100 может функционировать в качестве устройства для борьбы с загрязнением, которое обеспечивает очистку загрязненной воды при одновременном образовании минимального количества вредного газообразного побочного продукта в случае его наличия.
В вариантах осуществления, в которых смесь 102 топлива и воды имеет очень низкое содержание топлива, содержит комбинацию низкого содержания топлива и загрязненной воды или включает в себя только загрязненную воду, дополняющее газообразное топливо может быть введено в систему 100 посредством источника 110 воздуха, как разъяснено выше. В некоторых вариантах осуществления газообразное топливо представляет собой по существу единственное топливо, которое обеспечивает поддержание процесса окисления в реакционной камере 101. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено, что газообразное топливо представляет собой, по меньшей мере, часть газообразного топлива, получаемого посредством газификатора.
В некоторых случаях загрязненная вода, подаваемая в систему 100, может дополняться жидким топливом перед окислением в реакционной камере 101. Например, если загрязненная вода из газификатора вводится в резервуар 104 для жидкости, жидкое топливо может быть добавлено в резервуар 104 для жидкости для увеличения содержания топлива в смеси 102 топлива и воды. Данный процесс может выполняться в дополнение к вводу газообразного топлива в источнике 110 воздуха или вместо ввода данного газообразного топлива.
Воздух из источника 110 воздуха может быть подведен в компрессор 114. В приведенной в качестве примера системе 100, показанной на фиг.4, приведенный в качестве примера компрессор 114 получает воздух из источника 110 воздуха через впускное отверстие компрессора, осуществляет сжатие полученного воздуха и отвод сжатого воздуха через выпускное отверстие компрессора. Компрессор 114 может получать механическую энергию вращательного движения от турбины 115 посредством вала 105. Механическая энергия вращательного движения от турбины 115 может использоваться в компрессоре 114 для повышения давления воздушно-топливной смеси в компрессоре 114. В некоторых вариантах реализации система 100 может включать в себя компрессор, который работает по-другому. Приведенный в качестве примера вал 105 передает энергию вращательного движения от турбины 115 компрессору 114 и генератору 119. В некоторых вариантах реализации вал 105 может включать в себя несколько валов. Например, первый вал может передавать энергию от турбины 115 компрессору 114, и второй вал может передавать энергию от турбины генератору 119.
Сжатый воздух может быть подведен из компрессора 114 в теплообменник 122. Процесс сжатия вызывает нагрев воздуха, и теплообменник 122 может обеспечить дополнительный нагрев воздуха. Приведенный в качестве примера теплообменник 122 обеспечивает прием сжатого воздуха из компрессора 114, нагрев сжатого воздуха и отвод нагретого сжатого воздуха в реакционную камеру 101. Теплообменник 122 также может обеспечить прием газа, выходящего из турбины 115. Тепло от выходящего газа может использоваться в теплообменнике 122 для предварительного нагрева сжатого воздуха. Например, выходящий газ и воздушно-топливная смесь могут контактировать с противоположными сторонами теплопередающей конструкции, проходя через теплообменник 122. Теплопередающая конструкция может обеспечить отбор тепловой энергии от выходящего газа, имеющего более высокую температуру, и передачу тепловой энергии воздуху, имеющему более низкую температуру. В некоторых вариантах реализации система 100 может включать в себя теплообменник, который работает по-другому. Например, система 100 может обеспечить предварительный нагрев воздуха посредством использования тепла из другого источника, или система 100 может обеспечить подвод воздуха в реакционную камеру 101 без предварительного нагрева смеси.
Воздух может быть смешан с топливом для образования воздушно-топливной смеси перед подводом воздуха и топлива в реакционную камеру 101. Как правило, воздух может быть соединен с топливом в любом месте в системе 100. Например, топливо может быть смешано с воздухом перед подводом воздуха в компрессор 114, перед подводом воздуха в теплообменник 122, перед подводом воздуха в реакционную камеру и/или после подвода воздуха в реакционную камеру 101. В примере, показанном на фиг.4, воздух смешивается с топливом в трубопроводе 128 между теплообменником 122 и внутренней частью реакционной камеры 101. Топливо, поступившее в трубопровод 128, включает в себя газообразное топливо, образованное посредством испарения жидкой смеси 102 в испарительной камере 118. В некоторых случаях воздух и топливо могут смешиваться на входе в реакционную камеру.
В показанном примере резервуар 104 для текучей среды содержит жидкую смесь 102, которая включает в себя жидкое топливо и воду в жидком состоянии. Резервуар 104 для текучей среды может содержать дополнительные и/или другие газ, жидкость и/или твердые вещества. Резервуар 104 для текучей среды может включать в себя любой тип системы или контейнера для удерживания жидкости с любым пригодным размером или конфигурацией. Резервуар 104 для текучей среды может иметь впуски и/или выпуски, которые обеспечивают подвод текучей среды в резервуар 104 для текучей среды и отвод текучей среды из резервуара 104 для текучей среды. В некоторых примерах жидкая смесь 102 включает в себя жидкий этанол, жидкий керосин и/или жидкое топливо другого типа. Жидкая смесь 102 может включать в себя воду из любого источника воды.
2
2
2
2
2
2
В некоторых вариантах реализации вода в жидкой смеси 102 включает в себя загрязняющие вещества, твердые частицы, токсичные материалы и/или другие типы веществ. В некоторых вариантах осуществления загрязняющие вещества, твердые частицы, токсичные материалы и/или другие типы веществ могут представлять собой результат использования воды для мокрой очистки потока газа в газификаторе. Как правило, жидкая смесь 102 может иметь любое соотношение воды и топлива. В некоторых примерах жидкая смесь 102 имеет низкое процентное содержание жидкого топлива (например, 25%), и в некоторых примерах жидкая смесь 102 имеет более высокое процентное содержание жидкого топлива (например, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или более). В некоторых примерах жидкая смесь 102 имеет низкое процентное содержание воды в жидком состоянии (например, 20%, 10% или менее), и в некоторых примерах жидкая смесь 102 имеет более высокое процентное содержание воды в жидком состоянии (например, 30%, 40%, 50%, 60%, 70% или более). Реакционная камера 101 предпочтительно выполнена с конфигурацией, обеспечивающей возможность окисления топлива, загрязняющих веществ, твердых частиц, токсичных материалов и/или других типов веществ в достаточной степени для того, чтобы сделать выхлопные газы или выходящие продукты безвредными. Например, в некоторых вариантах осуществления данные вещества разлагаются до, по меньшей мере, СО, НО и О. В некоторых вариантах осуществления вещества разлагаются по существу только на СО, НО и О.
В некоторых случаях жидкая смесь 102 может включать в себя только жидкое топливо и воду в жидком состоянии при отсутствии какого-либо другого материала в смеси 102. Жидкая смесь 102 может включать в себя другие материалы помимо жидкого топлива и воды в жидком состоянии. Например, жидкая смесь 102 может включать в себя дополнительные и/или другие жидкости, газы и/или твердые вещества. В некоторых случаях дополнительная вода может быть добавлена в жидкую смесь 102 для повышения выходной мощности газотурбинной системы 100.
Жидкая смесь 102 может включать в себя текучие среды из источника текучих сред. Возможны многие различные типы источников текучих сред. К некоторым примерам источников текучих сред относятся предприятия винодельческой промышленности, предприятия по производству этанола, мусорные свалки/места захоронения отходов, предприятия по производству спиртов, нефтеперерабатывающие заводы, металлургические предприятия, химические заводы, нефтяные месторождения, предприятия общественного питания и/или другие источники жидкого топлива и/или воды в жидком состоянии.
Жидкая смесь 102 может быть подведена из резервуара 104 для текучей среды в испарительную камеру 118. В приведенной в качестве примера, показанной системе 100 трубопровод 106 и устройство 108 создания давления обеспечивают сообщение по текучей среде между выпуском резервуара 104 для текучей среды и впуском испарительной камеры 118. Устройство 108 создания давления может представлять собой насос или устройство другого типа, которое вызывает поток текучей среды из резервуара 104 в испарительную камеру 118. Испарительная камера 118 может включать в себя теплообменник или нагревательное устройство другого типа, которое обеспечивает повышение температуры жидкой смеси 102.
Повышение температуры жидкой смеси может привести к увеличению скорости, с которой испаряются жидкости в испарительной камере 118. Выхлоп из турбинной системы 100 и/или другие источники тепловой энергии могут быть использованы для нагрева жидкостей в испарительной камере 118. В показанном примере трубопровод 124 обеспечивает подвод тепловой энергии к испарительной камере 118 от теплообменника 122. После передачи тепловой энергии испарительной камере 118 выхлоп может быть отведен в атмосферу посредством выпуска 112.
Жидкая смесь 102 испаряется в испарительной камере 118 для образования газовой смеси. Газовая смесь, образующаяся в испарительной камере 118, может включать в себя пары топлива из жидкого топлива в смеси 102 и/или водяные пары из воды в жидком состоянии, имеющейся в смеси 102. Например, нагрев жидкой смеси, представляющей собой смесь этанола и воды, может обеспечить испарение как этанола, так и воды. Соотношение испарившихся веществ может зависеть от парциальных давлений.
Испарение жидкой смеси 102 может включать испарение воды с образованием газовой смеси, которая включает в себя воду в газообразном состоянии, и испарение жидкой смеси 102 может включать испарение топлива с образованием газовой смеси, которая включает в себя газообразное топливо. Газовая смесь может иметь любое газообразное состояние, например, парообразное состояние и/или газообразное состояние другого типа, генерируемое посредством процесса испарения. Например, газовая смесь может включать в себя испарившуюся жидкость, такую как водяной пар и/или пары топлива, образующуюся в результате процесса испарения любого типа. В парообразном состоянии парциальное давление пара может быть равно давлению при температуре начала кипения или превышать давление при температуре начала кипения, и/или температура пара может быть равна температуре начала кипения или превышать температуру начала кипения. Газовая смесь может иметь температуру ниже температуры начала кипения и/или давление ниже давления при температуре начала кипения.
Процесс испарения жидкости может включать в себя фазовый переход из жидкости в газ при температуре, которая ниже температуры кипения жидкости. Процесс испарения может включать дополнительные и/или другие типы процессов испарения. Например, в некоторых случаях процесс испарения может включать кипение и/или другие термодинамические процессы, которые обеспечивают образование газа из жидкости. Тепло для испарения жидкой смеси 102 может быть обеспечено частично или полностью газом, выходящим из теплообменника 122. Помимо топлива и/или воды газовая смесь, образующаяся в испарительной камере 118, также может включать в себя другие материалы. Например, пары из жидкой смеси 102 могут быть смешаны с дополнительными и/или другими жидкостями, газами и/или твердыми веществами.
Газовая смесь, образующаяся в испарительной камере 118, может быть подведена в реакционную камеру 101. В примере, показанном на фиг.4, газовая смесь, которая включает в себя испарившуюся воду и испарившееся топливо, подается в трубопровод 120 и из трубопровода 120 в трубопровод 128 для смешивания ее со сжатым и предварительно нагретым воздухом из теплообменника 122. Поскольку испарительная камера 118 по фиг.4 обеспечивает образование газообразной смеси топлива и воды, смешивание потока, выходящего из испарительной камеры 118, с воздухом в трубопроводе 120 обеспечивает образование газофазной смеси воздуха, топлива и воды. Смесь воздуха, топлива и воды может иметь низкую концентрацию топлива, например, концентрацию, которая ниже концентрации, соответствующей нижнему взрывоопасному пределу (LEL) для топлива.
3
Смесь может иметь низкую теплотворную способность, например, составляющую приблизительно 15 британских тепловых единиц в секунду на кубический фут (btu/scf) (37,259 кВт/м) или менее, или смесь может иметь более высокую теплотворную способность. Смесь может представлять собой негорючую смесь, например, неспособную поддерживать открытый огонь. В некоторых вариантах реализации количество топлива, испарившегося из жидкой смеси 102, достаточно для поддержания работы системы 100.
Система 100 может дополнительно включать в себя смеситель (непоказанный), который может обеспечивать смешивание воздуха с испарившейся смесью топлива и воды. Воздух может быть смешан с топливом и водой без смесительного устройства, например, посредством нагнетания испарившейся топливной смеси в поток воздуха. В некоторых примерах воздух, топливо, вода и/или другие вещества могут смешиваться в дополнительных и/или других местах в системе 100. Например, воздух из источника 110 воздуха может быть соединен с дополнительным топливом перед подводом воздуха в компрессор 114. В некоторых примерах реакционная камера 101 может иметь канал для впуска воздуха, который обеспечивает ввод воздуха из источника 110 воздуха непосредственно в реакционную камеру 101. В некоторых вариантах реализации воздух может быть введен в реакционную камеру 101 в виде регулирующего потока, например, для охлаждения зон с высокой температурой в реакционной камере 101. В некоторых вариантах реализации воздух и испарившаяся смесь могут быть подведены по отдельности в реакционную камеру 101 для образования смеси воздуха, топлива и воды в реакционной камере 101.
Воздух и топливо удерживаются в реакционной камере 101 в процессе окисления топлива. Окисление топлива в реакционной камере 101 может быть инициировано посредством повышения температуры топлива до температуры, равной температуре самовозгорания топлива или превышающей температуру самовозгорания топлива. Система 100 может обеспечить инициирование окисления в реакционной камере 101 независимо от материалов, представляющих собой катализаторы окисления (например, платину), и независимо от источника возгорания (например, пламени или искры зажигания). Топливо может быть окислено посредством воздуха в реакционной камере 101 без повышения температуры воздушно-топливной смеси до температуры, превышающей пороговую температуру, например, посредством поддержания максимальной температуры топлива в реакционной камере на уровне ниже пороговой температуры.
Пороговая температура может быть определена на основе одного или нескольких факторов, например, пороговая температура может представлять собой рекомендованную или максимальную рабочую температуру турбины, рекомендованную или максимальную температуру на входе турбины, температуру, которая вызывает образование оксидов азота, температуру, выбранную исходя из скорости потока топлива, проходящего через реакционную камеру 101, и/или других факторов.
В некоторых вариантах реализации топливо окисляется в реакционной камере 101 при температуре, которая ниже температуры, вызывающей образование оксидов азота. По существу, реакционная камера 101 может обеспечить окисление практически всего топлива при одновременном образовании только минимальных количеств оксидов азота. Например, выхлопной газ из системы 100 может включать в себя каждое из веществ, представляющих собой оксид азота, летучие органические соединения (VOCs) и СО, в количестве менее одной части на миллион и может даже обеспечить уменьшение концентраций летучих органических соединений и СО, содержащихся в поступающем воздухе.
Реакционная камера 101 может иметь внутренний объем, футерованный изоляционным огнеупорным материалом. Поглощающий тепло при высоких температурах и/или термостойкий материал, такой как керамический материал или горная порода, называемый наполнителем, может быть предусмотрен в реакционной камере 101. Наполнитель может иметь теплоаккумулирующую способность, которая способствует медленному окислению бедного топлива, проходящего через реакционную камеру 101. Теплоаккумулирующая способность может способствовать стабилизации температур для постепенного окисления топлива посредством передачи тепла поступающим газам и приема тепла от окисленных газов.
В некоторых случаях теплоаккумулирующая способность огнеупорных материалов в реакционной камере 101 может служить в качестве компенсатора/демпфера, обеспечивающего поглощение тепла и предотвращение избыточных температур, которые могли бы вызвать повреждение турбины и/или образование нежелательных побочных продуктов (например, оксидов азота, диоксидов углерода, летучих органических соединений и/или других). В некоторых случаях теплоаккумулирующая способность огнеупорных материалов в реакционной камере 101 может обеспечить временный источник тепловой энергии, которая может способствовать поддержанию процесса окисления топлива.
Объем и форма реакционной камеры 101 и конфигурация системы в целом могут быть заданы такими, чтобы обеспечить регулируемый поток и регулируемую скорость потока, проходящего через камеру, с обеспечением времени пребывания, достаточного для полного окисления топлива. Путь потока может быть достаточно длинным, так что скорость потока воздушно-топливной смеси вдоль пути потока, усредненная на длине пути потока, обеспечивает возможность полного окисления топлива. В качестве примера среднее время пребывания газа в камере может быть равно одной секунде или больше одной секунды в некоторых случаях. Среднее время пребывания газа в камере может составлять менее одной секунды в некоторых случаях. В некоторых вариантах осуществления время пребывания газа в камере может находиться в интервале от приблизительно 0,1 секунды до приблизительно 10 секунд. В некоторых вариантах осуществления время пребывания газа в камере может находиться в интервале от приблизительно 0,5 секунды до приблизительно 5 секунд. В некоторых вариантах осуществления время пребывания газа в камере может находиться в интервале от приблизительно 0,5 секунды до приблизительно 2 секунд. В некоторых вариантах осуществления время пребывания газа в камере может находиться в интервале от приблизительно 0,5 секунды до приблизительно 1 секунды. В некоторых вариантах осуществления время пребывания газа в камере может находиться в интервале от приблизительно 1 секунды до приблизительно 2 секунд. В некоторых вариантах осуществления время пребывания газа в камере может составлять менее приблизительно 0,1 секунды или более приблизительно 10 секунд. Скорость окисления смеси зависит от компонентов топлива, концентрации топлива, концентрации кислорода, давления, температуры и других факторов. Таким образом, скорость окисления можно регулировать посредством соответствующего регулирования данных параметров.
Реакционная камера 101 также может включать в себя один или несколько датчиков для определения таких характеристик, как температура, давление, скорость потока или других характеристик, соответствующих запуску и/или работе газотурбинной системы 100. Реакционная камера 101 также может включать в себя внутренние конструктивные элементы и/или устройства, которые обеспечивают регулирование характеристик процесса окисления. Например, реакционная камера 101 может включать в себя устройства для отклонения потока, клапаны и/или другие элементы, которые обеспечивают регулирование/контроль температуры, давления, скорости потока и/или других характеристик текучих сред в реакционной камере.
Реакционная камера 101 может иметь один или несколько впусков. Каждый из впусков может обеспечить подвод воздуха, топлива, воды или любой комбинации данных компонентов в реакционную камеру. Например, газообразная смесь топлива и воды из испарительной камеры 118 может быть подведена непосредственно в реакционную камеру 101. В некоторых вариантах реализации жидкая смесь 102 может быть подведена непосредственно в реакционную камеру 101 в жидком состоянии. Реакционная камера 101 имеет один или несколько выпусков, которые обеспечивают подвод окисленного топлива и/или других материалов к турбине 115.
В показанном примере выпускная труба 132 обеспечивает подвод выходящего газа к входу турбины 115 посредством трубопровода 130. Во время процесса нагрева и/или во время длительной работы газ, выходящий из реакционной камеры 101 по выпускам, может включать в себя продукты полного окисления топлива, химически неактивные газы и только ничтожно малые количества оксидов азота и диоксида углерода. В некоторых случаях газ, выходящий из реакционной камеры 101 по выпускам, может включать в себя неокисленное топливо, оксиды азота, диоксид углерода и/или другие материалы в количествах, превышающих ничтожно малые количества.
При эксплуатации давление в реакционной камере 101 может быть повышено, например, до давления, превышающего атмосферное давление, и/или до давления, превышающего давление окружающей среды в наружном пространстве вокруг реакционной камеры 101. Давление в реакционной камере может быть обеспечено посредством компрессора 114 и/или другого устройства создания давления. В некоторых примерах манометрическое давление в реакционной камере 101, находящейся под давлением, составляет более двух фунтов на квадратный дюйм (13,79 кПа) (то есть более чем на два фунта на квадратный дюйм превышает давление окружающей среды в пространстве, наружном по отношению к реакционной камере). В некоторых случаях манометрическое давление в реакционной камере 101 во время работы составляет от десяти от пятидесяти фунтов на квадратный дюйм (от 68,9476 до 344,738 кПа) или более.
Материалы, подаваемые в реакционную камеру 101, находящуюся под давлением, могут быть введены в реакционную камеру 101 при высоком давлении, например, давлении, превышающем давление внутри реакционной камеры 101. Например, воздух, топливо и/или вода могут быть введены в реакционную камеру 101, находящуюся под давлением, под давлением, равным внутреннему давлению в реакционной камере 101 или превышающим внутреннее давление в реакционной камере 101. Высокое давление в реакционной камере 101 обеспечивает подвод текучей среды из реакционной камеры в турбину 115, что позволяет газу, выходящему из реакционной камеры 101, снабжать турбину энергией.
Турбина 115 обеспечивает преобразование энергии газообразного продукта окисления в механическую энергию вращательного движения. Приведенная в качестве примера турбина 115 обеспечивает прием окисленного топлива через вход турбины, расширение окисленного топлива между входом турбины и выходом турбины и отвод расширенного газа через выход турбины. Турбина 115 может обеспечить передачу механической энергии вращательного движения компрессору 114 посредством вала 105. Турбина 115 может обеспечить передачу механической энергии вращательного движения генератору 119 посредством вала 105. В некоторых вариантах реализации система 100 может включать в себя турбину, которая работает по-другому.
Генератор 119 преобразует энергию вращательного движения от турбины 115 в электрическую энергию. Например, генератор 119 может обеспечить отдачу электрической энергии в электрическую сеть или в систему, которая накапливает электрическую энергию и/или работает на электрической энергии. В некоторых вариантах реализации генератор 119 может сообщать механическую энергию компрессору 114 во время запуска. Например, генератор может быть выполнен с возможностью работы в режиме двигателя, который обеспечивает преобразование электрической мощности в механическую энергию. В некоторых случаях система 100 может работать без передачи энергии генератору 119. Например, система 100 может работать как термический окислитель для разложения топлива и/или других материалов (например, материалов в жидкой смеси 102) независимо от выработки энергии.
В некоторых вариантах работы приведенной в качестве примера системы 100 реакционная камера 101 работает в реакционном состоянии. Источник 110 воздуха обеспечивает подачу воздуха в компрессор 114. Компрессор 114 осуществляет сжатие воздуха и подвод сжатого воздуха в теплообменник 122. Теплообменник 122 обеспечивает нагрев сжатого воздуха. Жидкая смесь 102, которая включает в себя жидкое топливо и воду в жидком состоянии, подводится в испарительную камеру 118 через устройство 108 создания давления. Жидкая смесь 102 испаряется в испарительной камере 118 с образованием газовой смеси. Газовая смесь включает в себя топливо и воду, при этом оба компонента находятся в газовой фазе, которая может включать в себя топливо и/или водяной пар. Газовая смесь соединяется с нагретым сжатым воздухом в трубопроводе 128. Получающаяся в результате смесь воздуха, топлива и воды вводится в реакционную камеру 101. Смесь нагревается и топливо окисляется в реакционной камере 101.
В некоторых вариантах реализации смесь остается в реакционной камере 101 достаточно долго для окисления по существу всего топлива в смеси. В некоторых случаях тепло, выделяющееся в реакционной камере 101 при окислении испарившегося топлива из жидкой смеси 102, может обеспечить достаточное количество тепловой энергии для нагрева поступающего топлива до температуры окисления при одновременном поддержании внутренней температуры реакционной камеры 101 на уровне, превышающем температуру, требуемую для окисления топлива и снабжения турбины 115 энергией.
Выходящий газ, который включает в себя газообразный продукт окисления и воду, подается через реакционную камеру 101 в выпуск реакционной камеры к турбине 115. Температура выходящего газа, выходящего из реакционной камеры, может составлять приблизительно 1600°F (871,1°С) или более, или выходящий газ может иметь более низкую температуру. Выходящий газ может быть подвергнут фильтрации перед поступлением его на вход турбины. Газообразный продукт окисления может быть охлажден посредством текучей среды (например, воздуха и/или другого газа или жидкости), подаваемой к продукту окисления перед турбиной 115, например, для предотвращения перегрева турбины 115.
Выходящий газ снабжает энергией турбину 115, и турбина 115 обеспечивает преобразование тепловой энергии выходящего газа в механическую энергию вращательного движения. Механическая энергия вращательного движения, подаваемая турбиной 115, обеспечивает приведение в действие компрессора 114 и/или генератора 119. Турбина 115 обеспечивает подвод выходящего газа из выхода турбины 115 к теплообменнику 122. Выходящий газ снабжает тепловой энергией теплообменник 122. Выходящий газ также может быть подведен в испарительную камеру 118 и может обеспечить снабжение испарительной камеры 118 тепловой энергией. Выходящий газ выходит из системы, например, по выпускной/выхлопной трубе.
Система окисления может работать как устройство для борьбы с загрязнением за счет обработки сточных вод, жидких отходов и отходов в виде смесей с любой концентрацией топлива или загрязняющих веществ. Система также выполнена с возможностью обработки газообразных отходов и отходов в виде смесей в концентрациях, которые не подходят для обеспечения самоподдерживающейся реакции, посредством подачи дополнительного жидкого топлива или газообразного топлива для поддержания хода реакции. Соответственно, система может обеспечить деструкцию газообразных и/или жидких отходов при одновременном обеспечении преимуществ, заключающихся в более высокой эффективности, увеличенной мощности и получении более экологически безопасных, побочных продуктов.
Фиг.5 показывает другую приведенную в качестве примера, газотурбинную систему 200, в которой может использоваться топливо, которое смешано с водой. Данные варианты осуществления включают загрязняющие вещества из газификатора, которые могут быть окислены в реакционной камере 101 посредством процесса постепенного окисления. В приведенной в качестве примера системе 200 жидкая смесь 102 вводится в нагретый воздушный поток в трубопроводе 128. Жидкая смесь 102 подается из резервуара 104 посредством устройства 108 создания давления и из устройства 108 создания давления по трубопроводу 134. Жидкая смесь 102 на фиг.5 подается из трубопровода 134 в трубопровод 128, в котором жидкая смесь 102 смешивается с нагретым воздухом. Тепловая энергия от нагретого воздуха в трубопроводе 128 обеспечивает испарение жидкой смеси 102 для образования газовой смеси. По существу приведенная в качестве примера система 200 не требует отдельной испарительной камеры. Тепловая энергия в воздухе может быть достаточной для испарения жидкой смеси 102 перед вводом в реакционную камеру 101. Другие компоненты системы 200 могут функционировать по существу так же, как описано в отношении приведенной в качестве примера системы 100 по фиг.4.
На фиг.5 показана жидкая смесь 102, поступающая в поток воздуха за теплообменником 122 по ходу потока. Жидкая смесь 102 в качестве дополнения или альтернативного варианта может быть введена до теплообменника 122 по ходу потока при условии, что тепловой энергии в воздухе достаточно для испарения смеси. Несмотря на то что данный подход может вызвать снижение эффективности/кпд системы, он может обеспечить возможность использования смесей даже более бедного топлива и воды. Кроме того, тепло отработавших газов на выходе теплообменника 122 может быть использовано для других применений.
Фиг.6 показывает пример газотурбинной системы 300, которая может осуществлять обработку жидкостей. Система 300 включает в себя источник 136 топлива и источник 131 жидкости. В некоторых вариантах осуществления в источник 131 жидкости может подаваться жидкость (например, вода) из газификатора. В подобных вариантах осуществления жидкость может включать в себя загрязняющие вещества, которые могут быть окислены во время процесса постепенного окисления в реакционной камере 101. Жидкая смесь 138 в резервуаре 104 для текучей среды включает в себя жидкость из источника 131 жидкости. В некоторых вариантах реализации в систему 300 подается комбинация жидкого топлива и газообразного топлива. Например, газообразное топливо может обеспечиваться посредством источника 136 топлива, и жидкое топливо может обеспечиваться посредством источника 131 жидкости. В некоторых вариантах реализации в систему 300 подается только или главным образом жидкое топливо из источника 131 жидкости, и источник топлива обеспечивает подачу незначительного количества дополнительного топлива или не подает никакое дополнительное топливо. В некоторых вариантах осуществления в систему 300 подается только или главным образом газообразное топливо из источника 136 топлива, и источник 131 жидкости обеспечивает подачу незначительного количества дополнительного топлива или не подает никакое дополнительное топливо.
Приведенный в качестве примера источник 136 топлива обеспечивает подачу топлива в систему 300 в некоторых случаях для поддержания процесса окисления в реакционной камере 101 и/или для нагрева реакционной камеры 101. В приведенной в качестве примера системе 300 может использоваться топливо, которое исходно является газообразным, и/или в системе 300 может использоваться жидкое или твердое топливо, которое может быть преобразовано в газ или пар.
Источник 136 топлива может обеспечить подачу топлива одного вида и/или многих разных видов топлива, один или все из которых могут быть окислены в реакционной камере 101. Источник 136 топлива может обеспечить подачу углеводородного топлива и/или других видов топлива. Источник 136 топлива может обеспечить подачу бедного топлива. Бедное топливо может включать в себя газы с низкой теплотворной способностью (то есть с малой энергией на единицу массы) и/или топливо, имеющее малую теплоту сгорания. К бедному топливу могут относиться газы, содержащие топливо в концентрации, которая меньше концентрации, обеспечивающей возможность поддержания открытого пламени и/или другой реакции горения. Например, топливо может быть смешано с воздухом, при этом в результате получается концентрация топлива, которая ниже концентрации, соответствующей нижнему взрывоопасному пределу (LEL) для топлива.
В некоторых случаях подача подобного бедного топлива к искре или в пламя, даже в присутствии воздуха, может вызвать задувание искры или пламени без окисления топлива в смеси. Однако, когда температура бедного топлива повышается до температуры, превышающей температуру его самовозгорания, топливо может окисляться в присутствии воздуха без введения искры или пламени. Конкретный пример бедного топлива включает в себя газ, который представляет собой большей частью диоксид углерода или азот и содержит малые количества метана, этана, моноксида углерода и других видов топлива. Подобный газ часто выходит из так называемых непродуктивных скважин для добычи природного газа. Источник 136 топлива может обеспечивать подачу топлива, отличающегося от бедного топлива, или в дополнение к бедному топливу. Например, в некоторых вариантах реализации источник 136 топлива может обеспечивать подачу пропана, бутана, керосина, бензина и/или топлива других видов помимо бедного топлива или в дополнение к бедному топливу. В некоторых случаях источник 136 топлива может обеспечивать подачу водородного топлива.
Источник 136 топлива может содержать газ, выделяющийся при разложении отходов на свалке/в месте захоронения отходов, который может иметь только небольшое процентное содержание топлива в виде метана (например, 3 процента или менее). Газ, имеющий подобную низкую концентрацию метана, может иметь концентрацию, которая ниже концентрации, соответствующей нижнему взрывоопасному пределу. Нижний взрывоопасный предел (LEL) для топлива может относиться к самой низкой концентрации топлива в воздухе, обеспечивающей возможность образования вспышки огня в присутствии источника воспламенения. Концентрации, более низкие по сравнению с нижним взрывоопасным пределом (LEL), как правило, имеют слишком малое значение для горения. Разные виды топлива имеют разные значения нижнего взрывоопасного предела (LEL), как правило, в диапазоне от приблизительно 1 объемного процента до 5 объемных процентов, хотя некоторые виды топлива имеют нижний взрывоопасный предел вне данного диапазона приблизительных значений. Некоторые конкретные примеры значений нижнего взрывоопасного предела (LEL) составляют (приблизительно, на основе объема) 3 объемных процента для этана, 4 объемных процента для водорода, 5 объемных процентов для метана и 2 объемных процента для пропана.
Топливо из источника 136 топлива может представлять собой топливо из природного (например, «неантропологического») источника или топливо из искусственного (например, антропологического) источника. Например, источник 136 топлива может обеспечить подачу метана из отходов жизнедеятельности крупного рогатого скота, из болота, рисовой фермы и/или метана, образуемого посредством ферментации или другой биологической или химической обработки органического вещества. Другие приводимые в качестве примера источники топлива могут включать навоз, бытовые отходы, заболоченные земли, газ, просачивающийся из мест утечки в системе 300 или других системах, или операции бурения и извлечения. В некоторых вариантах реализации источник 136 топлива включает в себя топливо, смешанное с водой, и топливо из источника 136 топлива включает в себя водяной пар. В некоторых вариантах реализации источник 136 топлива обеспечивает подачу только газообразного топлива в систему 300. В системе 300 также могут быть использованы один или несколько дополнительных источников топлива. Например, газообразное топливо может подаваться в систему посредством источника 136 топлива, и жидкое топливо может подаваться в систему 300 посредством источника 131 жидкости.
В тех случаях, когда предусмотрено твердое топливо, процесс преобразования может быть использован для преобразования твердого топлива в газообразное топливо, которое может быть затем использовано системой 300 посредством нагнетания газообразного топлива посредством источника 136 топлива. Процесс преобразования может предусматривать использование газификатора, как разъяснено выше. В тех случаях, когда предусмотрено жидкое топливо, жидкое топливо может быть добавлено в резервуар 104 для жидкости посредством источника 131 жидкости, из которого оно всасывается в систему с жидкой смесью 138. Соответственно, система 300 может быть выполнена с возможностью приема топлива в твердом, жидком или газообразном виде.
Источник 131 жидкости обеспечивает подачу всей или части жидкой смеси 138 в резервуар 104 для текучей среды. Жидкая смесь 138, подаваемая из источника 131 жидкости, может включать в себя жидкую смесь 102 или может быть идентична жидкой смеси 102, описанной в связи с другими вариантами осуществления, описанными в данном документе. Источник 131 жидкости может включать в себя множество разных источников воды в жидком состоянии, жидкого топлива и/или других жидкостей, подлежащих обработке посредством системы 300. В некоторых вариантах осуществления жидкая смесь 102 включает в себя загрязняющие вещества, образующиеся в результате мокрой очистки потока газа в газификаторе. В некоторых вариантах реализации источник 131 жидкости обеспечивает подачу только воды в жидком состоянии, только жидкого топлива или некоторой комбинации двух компонентов.
К некоторым примерам источников текучих сред относятся предприятия винодельческой промышленности, предприятия по производству этанола, мусорные свалки/места захоронения отходов, предприятия по производству спиртов, угольные шахты, нефтеперерабатывающие заводы, металлургические предприятия, химические заводы, нефтяные месторождения, заболоченные местности, канализационные очистные сооружения и/или другие источники жидкого топлива и/или воды в жидком состоянии. Например, потоки в виноделии, при производстве этанола и при пивоварении могут иметь некондиционные продукты, содержащие воду, которые могут быть подвергнуты обработке в системе 300. Этанол производят сотнями способов, например, в больших и малых перегонных аппаратах, любой из которых может быть использован в качестве источника 131 жидкости. По мере расширения области использования биотоплива все больше исходных продуктов используются для производства этанола. В тех случаях, когда такие исходные материалы, как водоросли, пуэрария (кудзу) или древесина, используются для производства этанола, система 300 может обеспечить разложение лигнина, волокна и малоэффективных потоков.
Жидкая смесь 138 может включать в себя спирт во множестве разных концентраций, например, 40 установленных градусов крепости, 100 установленных градусов крепости и/или в других концентрациях. Как таковая, система 300 может быть размещена, например, на пивоварне, на предприятии по переработке биомассы или на предприятии по производству этанола для потребления побочных продуктов на предприятии. Система 300 также может находиться в отдельном месте и получать побочные продукты посредством доставки или дистрибуции. Помимо данных примеров жидкая смесь 138 может быть получена и/или образована другим способом.
Система 300 может функционировать на основе использования топлива из источника 136 топлива, система 300 может функционировать на основе использования топлива из источника 131 жидкости, и/или система 300 может функционировать на основе использования топлива как из источника 136 топлива, так и из источника 131 жидкости одновременно и/или в разные моменты времени. Например, на угольных шахтах, где требуется энергия для бурения скважин для извлечения и отвода метана, система 300 вначале может работать на керосине или этаноле из источника 131 жидкости. Поскольку происходит улавливание метана из угольных шахт, метан может служить в качестве источника 136 топлива и может вытеснять керосин или этанол до тех пор, пока только отведенный метан не станет представлять собой единственное топливо для системы 300.
Как только отведенный метан будет в достаточной мере исчерпан, система 300 может работать на метане из вентиляционных шахт, обеспечивая экологически чистую энергию и уничтожая парниковый газ. На металлургических предприятиях экологически чистая энергия может подаваться системой 300, работающей на керосине или этаноле из источника 131 жидкости. Когда станет доступным доменный газ, система 300 может работать на доменном газе из источника 136 топлива. На нефтеперерабатывающих заводах или химических заводах отработавший газ, несущий летучие органические соединения, может служить в качестве топлива для системы 300 вместо сжигания его в тепловом окислителе. Некондиционные побочные продукты, такие как лигроин, могут быть использованы в качестве дополнительного топлива и выработки экологически чистой энергии, например, вместо их сбора и транспортировки посредством грузовых автомобилей в место сброса отходов. Газ с мусорных свалок, имеющий низкое содержание метана, может быть объединен с газом из нефтегазовых месторождений вблизи мусорной свалки для выработки экологически чистой энергии. Помимо данных примеров система 300 может работать на основе использования жидкого топлива и газообразного топлива другим способом.
Когда жидкая смесь 138 включает в себя жидкое топливо, система 300 может работать по существу так же, как система 100 по фиг.4. Например, испарительная камера 118 может обеспечить испарение жидкой смеси 138 и получающаяся в результате газовая смесь может быть объединена с воздухом и подведена в реакционную камеру 101. Испарившееся топливо из испарительной камеры 118 может обеспечить снабжение системы 300 топливом без топлива из источника 136 топлива. В некоторых случаях поток воздуха из теплообменника 122 включает в себя топливо из источника 136 топлива. По существу топливо из источника 136 топлива и испарившееся топливо из испарительной камеры 118 могут быть объединены, и оба топлива могут быть одновременно подвергнуты окислению в реакционной камере 101.
В некоторых вариантах реализации жидкая смесь 138 не включает в себя значительных количеств жидкого топлива, и система 300 работает полностью или по существу полностью на топливе из источника 136 топлива. Например, жидкая смесь 138 может включать в себя воду в жидком состоянии и/или другие материалы, которые не выделяют значительных количеств тепловой энергии при подвергании их обработке в реакционной камере 101. В подобных случаях тепло, выделяющееся в реакционной камере 101 при окислении топлива из источника 136 топлива, может обеспечить разложение загрязняющих веществ, побочных продуктов и/или других материалов в жидкой смеси 138. В качестве примера вода в жидком состоянии с мусорной свалки/из места захоронения отходов может содержать токсичные материалы и/или другие типы загрязняющих веществ, которые могут быть подвергнуты разложению в реакционной камере 101. По существу источник 131 жидкости может представлять собой свалочный резервуар/место захоронения отходов, в котором образуются свалочные текучие среды. Свалочные текучие среды могут включать в себя метан, который подают в источник 136 топлива, и свалочные текучие среды могут включать в себя воду, которую конденсируют и подают в резервуар 104 для текучей среды.
В приведенной в качестве примера системе 300 жидкая смесь 138 испаряется в испарительной камере 118 посредством использования тепла из теплообменника 122, как в системе 100 по фиг.4. Жидкая смесь 138 может быть в альтернативном варианте или дополнительно подвергнута испарению другим способом. Например, жидкая смесь 138 может быть подвергнута испарению посредством нагнетания смеси в поток горячего воздуха, как в системе 200 по фиг.5; в некоторых вариантах реализации жидкая смесь 138 может быть подвергнута испарению в реакционной камере 101.
В некоторых вариантах осуществления горючие газы могут быть добавлены посредством источника 136 топлива для регулирования эксплуатационных характеристик системы 300. Например, в вариантах осуществления, в которых смесь с низким содержанием топлива не содержит достаточного количества топлива для самоподдерживающегося разложения или в которых процесс окисления не может поддерживаться на основе содержания топлива только в жидкой смеси 138, горючие газы могут быть добавлены вместе с воздухом в источнике 110 воздуха посредством источника 136 топлива для обеспечения достаточного количества топлива для самоподдерживающегося процесса окисления. Горючие газы, которые могут быть добавлены посредством источника 136 топлива, включают в себя, например, без ограничения, водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, n-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, n-пентан, ацетилен, гексан и моноксид углерода.
Количество горючих газов, добавляемых посредством источника 136 топлива, может регулироваться в зависимости от количества топлива, обнаруживаемого в жидкой смеси 138. Если содержание топлива в жидкой смеси 138 изменяется так, что смесь 138 будет иметь нежелательную концентрацию топлива, в ответ на это количество горючих газов, добавляемых в источнике 136 топлива, может быть увеличено или уменьшено. В некоторых вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 136 топлива, зависит от величины содержания топлива в жидкой смеси 138, поступающей в систему 300. В некоторых вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 136 топлива, зависит от сочетания величины содержания топлива в жидкой смеси 138 и температуры в реакционной камере 101. В некоторых вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 136 топлива, зависит от сочетания величины содержания топлива в жидкой смеси 138 и изменения температуры или скорости изменения температуры в реакционной камере 101.
Величина содержания топлива в жидкой смеси 138 может быть определена в резервуаре 104 для жидкости, между устройством 108 создания давления и испарительной камерой 118 или между испарительной камерой 118 и реакционной камерой 101. Поскольку в некоторых случаях некоторая часть топлива в жидкой смеси 138 может окисляться при нагреве жидкой смеси 138 посредством испарительной камеры 118, в некоторых вариантах осуществления предусмотрено то, что содержание топлива в жидкой смеси 138 определяется между испарительной камерой 118 и реакционной камерой 101. В подобных вариантах осуществления количество горючих газов, добавляемых в источнике 136 топлива, зависит от содержания топлива в жидкой смеси 138, определенного между испарительной камерой 118 и реакционной камерой 101.
В некоторых случаях жидкая смесь 138 может содержать дополнительные компоненты, которые могут не считаться топливом. Например, в некоторых вариантах осуществления жидкая смесь 138 может содержать загрязняющие вещества и воду. Загрязненная вода может представлять собой побочный продукт какого-либо другого процесса, и загрязненная вода подводится в систему 300 для окисления загрязненной воды или сточных вод. Например, загрязненная вода может поступать из газоочистителя, который представляет собой часть газификатора, подобного описанному выше, который может представлять собой источник 131 жидкости. В процессе газификации вода используется для очистки образующегося в результате газообразного топлива от загрязняющих веществ перед распределением газообразного топлива для использования. После этого загрязненная вода подается в систему 300, например, посредством осаждения загрязненной воды в резервуаре 104 для жидкости. Затем загрязненная вода всасывается в систему 300 способом, аналогичным описанному выше в отношении жидкой смеси 138, и вода испаряется во время окисления загрязняющих веществ в реакционной камере 101. Таким образом, система 300 может функционировать в качестве средства обработки и очистки загрязненной, токсичной или сточной воды. Система 300 может функционировать в качестве устройства для борьбы с загрязнением, которое обеспечивает очистку загрязненной воды при одновременном образовании минимального количества вредного газообразного побочного продукта в случае его наличия.
В вариантах осуществления, в которых жидкая смесь 138 имеет очень низкое содержание топлива, содержит комбинацию низкого содержания топлива и загрязненной воды или включает в себя только загрязненную воду, дополняющее газообразное топливо может быть введено в систему 300 посредством источника 136 топлива, как разъяснено выше. В некоторых вариантах осуществления газообразное топливо представляет собой по существу единственное топливо, которое обеспечивает поддержание процесса окисления в реакционной камере 101. В некоторых вариантах осуществления предусмотрено, что газообразное топливо представляет собой, по меньшей мере, часть газообразного топлива, получаемого посредством газификатора, и вода из газоочистителя, предусмотренного в газификаторе, вводится в систему 300 посредством источника 131 жидкости.
В некоторых случаях загрязненная вода, подаваемая в систему 300, может дополняться жидким топливом перед окислением в реакционной камере 101. Например, если загрязненная вода из газификатора вводится в резервуар 104 для жидкости, жидкое топливо может быть добавлено в резервуар 104 для жидкости для увеличения содержания топлива в жидкой смеси 138. Данный процесс может выполняться в дополнение к вводу газообразного топлива посредством источника 136 топлива или вместо ввода данного газообразного топлива.
Система 200 по фиг.5 может быть адаптирована для приема жидкостей из источника 131 жидкости и/или топлива из источника 136 топлива. В любой из систем 100, 200, 300 жидкие смеси могут быть преобразованы в газ в реакционной камере и/или перед подводом смеси в реакционную камеру. В тех случаях, когда жидкую смесь преобразуют в газ до реакционной камеры, газообразная смесь может быть объединена с воздухом, топливом и/или другими газами в реакционной камере и/или до подвода воздуха, топлива и других газов в реакционную камеру. Перемещение текучих сред через системы 100, 200, 300, например, между различными компонентами систем может быть измерено датчиками и/или контрольно-измерительными устройствами, управление данным перемещением и/или регулирование данного перемещения может быть осуществлено посредством клапанов управления и других типов регуляторов потока, и/или перемещающиеся текучие среды могут содержаться в трубопроводах, трубах, каналах, камерах и/или конструктивных элементах других типов. По существу системы 100, 200, 300 могут включать в себя дополнительные устройства, конструктивные элементы и подсистемы, не показанные особо на фигурах.
Фиг.7А и 7В представляют собой блок-схемы, показывающие поток текучей среды в приведенных в качестве примера, окислительных реакционных системах. На фиг.7А и 7В потоки воды, топлива и воздуха показаны схематически. Несмотря на то что текучие среды показаны отдельно на блок-схемах, в разных вариантах реализации текучие среды могут быть смешаны в одном или нескольких соответствующих местах. Например, вода в жидком состоянии и жидкое топливо, показанные на фиг.7А, могут представлять собой компоненты жидкой смеси 102 по фиг.1А-2В. В качестве другого примера топливо и воздух, показанные на фиг.7В, могут представлять собой воздушно-топливную смесь, поступающую в компрессор 114 по фиг.6.
Текучие среды показаны на фиг.7А и 7В как входящие в реакционную камеру 410 и выходящие из реакционной камеры 410. Каждая из текучих сред может быть подведена в реакционную камеру 410 отдельно от остальных показанных текучих сред, и/или одна или несколько из показанных текучих сред могут быть подведены в реакционную камеру 410 вместе с другой текучей средой. Например, в некоторых вариантах реализации воздух и смесь топлива и воды вводятся в реакционную камеру 410 по отдельности (то есть воздух вводят по первому впуску и смесь топлива и воды вводят по второму впуску), и в некоторых вариантах реализации воздух и смесь топлива и воды смешивают для образования смеси воздуха, топлива и воды перед поступлением топлива в реакционную камеру 410 (то есть смесь воздуха, топлива и воды может быть введена в реакционную камеру, находящуюся под давлением, по общему впуску).
В некоторых вариантах осуществления воздух смешивают посредством системы со смесью топлива и воды. В некоторых вариантах осуществления смесь топлива и воды представляет собой испарившийся газ. В некоторых вариантах осуществления воздушно-топливную смесь смешивают с водяной смесью. В некоторых вариантах осуществления воздушно-топливную смесь смешивают с паром. В некоторых вариантах осуществления воздушно-топливную смесь смешивают со смесью топлива и воды. В некоторых вариантах осуществления смесь топлива и воды представляет собой испарившийся газ.
Пунктирные линии на фиг.7А и 7В представляют собой схематическое изображение тепловой энергии от реакционной камеры, используемой для повышения температуры текучих сред вне реакционной камеры 410. В некоторых вариантах реализации текучие среды нагревают вне реакционной камеры 410 без тепла от реакционной камеры 410, и один или несколько из процессов теплопередачи, представленных на фигурах, могут быть исключены. В некоторых вариантах реализации дополнительные и/или другие текучие среды нагревают вне реакционной камеры 410 посредством тепла от реакционной камеры 410, и используют дополнительные и/или другие процессы теплопередачи.
Как на фиг.7А, так и на фиг.7В показано окисление топлива посредством воздуха в реакционной камере 410. Окисление топлива посредством воздуха может происходить без повышения температуры топлива до значений, превышающих пороговую температуру, например, посредством поддержания максимальной температуры топлива в реакционной камере на уровне ниже пороговой температуры. Пороговая температура может представлять собой рекомендованную или максимальную рабочую температуру турбины, рекомендованную или максимальную температуру на входе турбины, температуру, которая вызывает образование оксидов азота, температуру, выбранную исходя из скорости потока топлива, проходящего через реакционную камеру 410, и/или других факторов и т.д. В некоторых вариантах реализации топливо окисляют в реакционной камере 410 при температуре, которая ниже температуры, вызывающей образование оксидов азота. Реакционная камера 410 может представлять собой реакционную камеру 101, показанную в других вариантах осуществления, описанных в данном документе. Реакционная камера 410 может представлять собой окислительную реакционную камеру другого типа. В реакционной камере 410 может быть создано или не создано повышенное давление.
В показанных примерах тепловая энергия, выделяющаяся при окислении топлива в реакционной камере 410, преобразуется в механическую энергию. По существу газовая турбина, паровая турбина и/или другая система, которая обеспечивает преобразование тепловой энергии в механическую энергию, может быть использована совместно с реакционной камерой 410. Механическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию, например, посредством генератора. В некоторых случаях энергия, выделяющаяся при окислении топлива в реакционной камере 410, используется дополнительными или другими способами.
В приведенной в качестве примера окислительной реакционной системе 400, показанной на фиг.7А, вода 401 в жидком состоянии и жидкое топливо 402 превращаются в воду 403 в газообразном состоянии и газообразное топливо 404. Топливо может включать спирт, керосин, бензин и/или другие виды топлива. Газообразное топливо 404 может включать в себя пары топлива и/или топливо в газообразном состоянии другого типа. Вода 403 в газообразном состоянии может включать в себя водяной пар и/или воду в газообразном состоянии другого типа. Вода 403 в газообразном состоянии, газообразное топливо 404 и воздух 405 подводятся в реакционную камеру 410. Топливо 404 окисляется посредством воздуха 405 в реакционной камере 410, когда топливо 404, воздух 405 и вода 403 находятся в реакционной камере 410.
Загрязняющие вещества, токсичные материалы и/или другие вещества, смешанные с водой 403, могут быть подвергнуты разложению, окислению и/или иным образом модифицированы в реакционной камере 410. Загрязняющие вещества, которые могут включать в себя токсичные материалы, включают вещества, которые могут быть вредными для окружающей среды и/или живых организмов. Реакция окисления топлива 404 и воздуха 405 вызывает образование газообразного продукта 406 окисления, который отводится из реакционной камеры 410 вместе с водой 403. Тепловая энергия воды 403 и продукта 406 окисления преобразуется в механическую энергию.
В приведенной в качестве примера, окислительной реакционной системе 450, показанной на фиг.7В, вода 431 в жидком состоянии подается в реакционную камеру 410, и/или вода 431 в жидком состоянии превращаются в воду 436 в газообразном состоянии вне реакционной камеры. В вариантах реализации, в которых вода 431 в жидком состоянии подводится в реакционную камеру 410, вода 431 в жидком состоянии превращается в воду 434 в газообразном состоянии в реакционной камере 410.
В вариантах реализации, в которых вода 431 в жидком состоянии превращается в воду 436 в газообразном состоянии вне реакционной камеры 410, вода 436 в газообразном состоянии подводится в реакционную камеру 410. Топливо 432 и воздух 433 подводятся в реакционную камеру 410. Топливо 432 окисляется посредством воздуха 433 в реакционной камере 410, когда топливо 432, воздух 433 и вода 434 и/или вода 436 находятся в реакционной камере. Реакция окисления топлива 432 посредством воздуха 433 приводит к образованию газообразного продукта 435 окисления, который отводится из реакционной камеры 410 вместе с водой 434 и/или водой 436. Тепловая энергия воды 434 и/или воды 436 и продукта 435 окисления преобразуется в механическую энергию.
В обеих приведенных в качестве примера системах 400, 450 процесс превращения жидкости в газ может включать процесс испарения, в котором используется тепло от окисления топлива в реакционной камере 410. Превращение жидкости в газ может включать испарение, парообразование, кипение и/или процессы других типов. Загрязняющие вещества, токсичные материалы и/или другие вещества, смешанные с водой 403, 434 и/или 436, могут быть подвергнуты разложению, окислению и/или иным образом модифицированы в реакционной камере 410 в любой из двух приведенных в качестве примера систем 400, 450. Масса воды 403, 434 и/или 436 может приводить к увеличению механической энергии, вырабатываемой приведенными в качестве примера системами 400, 450.
Фиг.7С и 7D представляют собой блок-схемы, показывающие процесс, аналогичный процессам, проиллюстрированным на фиг.7А и 7В. Фиг.7С и 7D показывают поток текучей среды в приведенных в качестве примера окислительных реакционных системах, включающих в себя газификатор (фиг.7С) и необязательно включающих в себя газификатор (фиг.7D). На фиг.7С и 7D потоки воды, топлива и воздуха показаны схематически. Несмотря на то что текучие среды показаны отдельно на блок-схемах, в разных примерах реализации текучие среды могут быть смешаны в одном или нескольких соответствующих местах. Например, газообразное топливо и воздух между газификатором и реакционной камерой на фиг.7С показаны отдельно, и два данных компонента могут быть составляющими газовой смеси.
На фиг.7С газификатор получает твердое топливо и обеспечивает преобразование твердого топлива в газообразное топливо. Вода в газообразном состоянии подается для мокрой очистки газообразного топлива, и подвергнутое мокрой очистке газообразное топливо выходит из газификатора и может быть направлено непосредственно в реакционную камеру или в альтернативном варианте может быть перенаправлено для использования вне системы. Загрязненная вода в жидком состоянии, использованная для мокрой очистки газообразного топлива, также направляется в реакционную камеру. Несмотря на то что фигура показывает перенаправление газообразного топлива из системы, это представляет собой возможную, но необязательную операцию, и в некоторых вариантах осуществления все газообразное топливо, получаемое посредством газификатора, используется в реакционной камере. В некоторых вариантах осуществления, подобных показанным, только часть газообразного топлива, получаемого посредством газификатора, используется в реакционной камере.
В реакционной камере вода в жидком состоянии нагревается до получения воды в газообразном состоянии, и в некоторых вариантах осуществления вода в газообразном состоянии, которая была нагрета ранее, дополнительно нагревается при подготовке к преобразованию тепловой энергии в механическую энергию. Загрязненная вода в жидком состоянии, поступающая в реакционную камеру, превращается в воду в газообразном состоянии и загрязняющие вещества, содержащиеся в воде в жидком состоянии. Загрязняющие вещества окисляются вместе с любым топливом, которое подается в реакционную камеру, и образуют продукт окисления, который используется затем вместе с водой в газообразном состоянии для преобразования тепловой энергии в механическую энергию.
Текучие среды показаны на фиг.7С как входящие в реакционную камеру и выходящие из реакционной камеры. Текучие среды могут быть подведены в реакционную камеру отдельно от остальных показанных текучих сред, и/или одна или несколько из показанных текучих сред могут быть подведены в реакционную камеру вместе с другой текучей средой. Например, в некоторых вариантах реализации воздух и смесь топлива и воды вводятся в реакционную камеру по отдельности (то есть воздух вводят по первому впуску и смесь топлива и воды вводят по второму впуску), и в некоторых вариантах реализации воздух и смесь топлива и воды смешивают для образования смеси воздуха, топлива и воды перед поступлением топлива в реакционную камеру (то есть смесь воздуха, топлива и воды может быть введена в реакционную камеру, находящуюся под давлением, по общему впуску).
В некоторых вариантах осуществления воздух смешивают посредством системы со смесью топлива и воды. В некоторых вариантах осуществления смесь топлива и воды представляет собой испарившийся газ. В некоторых вариантах осуществления воздушно-топливную смесь смешивают с водяной смесью. В некоторых вариантах осуществления воздушно-топливную смесь смешивают с паром. В некоторых вариантах осуществления воздушно-топливную смесь смешивают со смесью топлива и воды. В некоторых вариантах осуществления смесь топлива и воды представляет собой испарившийся газ.
Пунктирные линии на фиг.7C и 7D представляют собой схематическое изображение тепловой энергии от реакционной камеры, используемой для повышения температуры текучих сред вне реакционной камеры. Это может быть выполнено, например, посредством теплообменника 122 или испарительной камеры 118 по фиг.4. В некоторых вариантах реализации текучие среды нагревают вне реакционной камеры без тепла от реакционной камеры, и один или несколько из процессов теплопередачи, представленных на фигурах, могут быть исключены. В некоторых вариантах реализации дополнительные и/или другие текучие среды нагревают вне реакционной камеры посредством тепла от реакционной камеры, и используют дополнительные и/или другие процессы теплопередачи. Процесс превращения жидкости в газ может включать процесс испарения, в котором используется тепло от окисления топлива в реакционной камере. Превращение жидкости в газ может включать испарение, парообразование, кипение и/или процессы других типов.
Фиг.7С и 7D показывают окисление топлива посредством воздуха в реакционной камере. Окисление топлива посредством воздуха может происходить без повышения температуры топлива до значений, превышающих пороговую температуру, например, посредством поддержания максимальной температуры топлива в реакционной камере на уровне ниже пороговой температуры. Пороговая температура может представлять собой рекомендованную или максимальную рабочую температуру турбины, рекомендованную или максимальную температуру на входе турбины, температуру, которая вызывает образование оксидов азота, температуру, выбранную исходя из скорости потока топлива, проходящего через реакционную камеру и/или других факторов и т.д. В некоторых вариантах реализации топливо окисляется в реакционной камере при температуре, которая ниже температуры, вызывающей образование оксидов азота. Реакционные камеры по фиг.7С и 7D, а также другие части системы могут представлять собой реакционные камеры, показанные в других вариантах осуществления, описанных в данном документе. Реакционная камера может представлять собой окислительную реакционную камеру другого типа. В реакционной камере может быть создано или не создано повышенное давление.
В показанных в качестве примера процессах тепловая энергия, выделяющаяся при окислении топлива в реакционной камере, преобразуется в механическую энергию. Газовая турбина, паровая турбина и/или другая система, которая обеспечивает преобразование тепловой энергии в механическую энергию, может быть использована совместно с реакционной камерой. Механическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию, например, посредством генератора. В некоторых случаях энергия, выделяющаяся при окислении топлива в реакционной камере, используется дополнительными или другими способами.
В примерах по фиг.7С и 7D топливо подается в реакционную камеру. Топливо может представлять собой газообразное топливо, которое соединяется с газообразным топливом из газификатора. Топливо также может представлять собой жидкое топливо, которое подается в реакционную камеру само по себе или совместно с водой в жидком состоянии. В некоторых вариантах осуществления количество газообразного топлива или жидкого топлива, добавляемое в систему помимо газообразного топлива из газификатора и/или загрязненной воды в жидком состоянии, базируется на определении содержания топлива, подаваемого в реакционную камеру посредством (i) газообразного топлива из газификатора, (ii) загрязняющих веществ в воде, находящейся в жидком состоянии, или (iii) комбинации газообразного топлива из газификатора и загрязняющих веществ в воде, находящейся в жидком состоянии.
В окислительной реакционной системе, показанной на фиг.7С, вода в жидком состоянии, жидкое топливо и загрязненная жидкость превращаются в воду в газообразном состоянии, газообразное топливо и загрязняющие вещества. Топливо может включать спирт, керосин, бензин и/или другие типы топлива. Газообразное топливо может включать в себя пары топлива и/или топливо в газообразном состоянии другого типа. Вода в газообразном состоянии может включать в себя водяной пар и/или воду в газообразном состоянии другого типа. Воздух, вода в газообразном состоянии, газообразное топливо и загрязняющие вещества подводятся в реакционную камеру или превращаются в вещества в газообразном состоянии в реакционной камере. Топливо и загрязняющие вещества окисляются посредством воздуха, когда они находятся в реакционной камере.
Как разъяснено, загрязняющие вещества, токсичные материалы и/или другие вещества, смешанные с водой, могут быть подвергнуты разложению, окислению и/или иным образом модифицированы в реакционной камере. Загрязняющие вещества, которые могут включать в себя токсичные материалы, включают вещества, которые могут быть вредными для окружающей среды и/или живых организмов. Реакция окисления топлива, воздуха и загрязняющих веществ вызывает образование газообразного продукта окисления, который отводится из реакционной камеры вместе с водой. Тепловая энергия воды и продукта окисления преобразуется в механическую энергию.
В приведенной в качестве примера окислительной реакционной системе, показанной на фиг.7С и 7D, вода в жидком состоянии подводится в реакционную камеру, и/или вода в жидком состоянии превращается в воду в газообразном состоянии вне реакционной камеры. В вариантах реализации, в которых вода в жидком состоянии подводится в реакционную камеру, вода в жидком состоянии превращается в воду в газообразном состоянии в реакционной камере. В некоторых вариантах осуществления вода в жидком состоянии превращается в воду в газообразном состоянии только в реакционной камере, и в некоторых вариантах осуществления вода в жидком состоянии превращается в воду в газообразном состоянии только вне реакционной камеры. В некоторых вариантах осуществления некоторая часть воды в жидком состоянии превращается в воду в газообразном состоянии вне реакционной камеры, и некоторая часть воды в жидком состоянии превращается в воду в газообразном состоянии внутри реакционной камеры. В вариантах реализации, в которых вода в жидком состоянии превращается в воду в газообразном состоянии вне реакционной камеры, вода в газообразном состоянии направляется в реакционную камеру для дополнительного нагрева воды в газообразном состоянии.
Фиг.7D иллюстрирует процессы, аналогичные тем, которые показаны на фиг.7С. Однако в процессах по фиг.7D источником загрязненной жидкости необязательно является газоочиститель, предусмотренный в газификаторе. Фиг.7D иллюстрирует, что процесс окисления в реакционной камере может быть использован для обработки загрязненной воды, которая подается в систему, и для того, чтобы сделать ранее загрязненную воду по существу безвредной. В некоторых вариантах осуществления загрязненная вода подается в систему с единственной целью ее обработки, и реакционная камера выполнена с возможностью обеспечения окисления загрязняющих веществ в воде и получения образующихся в результате продуктов окисления и воды в газообразном состоянии для преобразования тепловой энергии в механическую энергию.
Несмотря на то что фиг.7А-7D показывают жидкость и образующийся в результате газ в виде воды в жидком состоянии и воды в газообразном состоянии, жидкость может представлять собой жидкость, отличную от воды, или вода в жидком состоянии может содержать жидкости, отличные от воды.
x
x
Нагнетание воды или пара в газообразные продукты сгорания в газовых турбинах может обеспечить увеличение выходной мощности турбин. Однако для компенсации снижения температуры, возникающего вследствие такого нагнетания, было необходимо увеличить количество сжигаемого топлива, что обеспечивает более высокие температуры и приводит к увеличенному образованию вредных газообразных оксидов азота (NO). В некоторых вариантах осуществления, как упомянуто выше, система постепенного окисления, описанная в данном документе, может обеспечить окисление топлива без увеличения образования NO и при одновременном увеличении выхода системы посредством подачи воды в систему.
Как разъяснено в связи с вариантами осуществления, описанными в данном документе, топливо систем окисляется, когда воздушно-топливная смесь проходит вдоль проточного канала в реакционной камере. Топливо предпочтительно окисляется посредством процесса беспламенного постепенного окисления, который обеспечивает разложение по существу всего топлива. Топливо предпочтительно окисляется при температуре, достаточно низкой для уменьшения или предотвращения образования и/или выброса вредных соединений, таких как оксиды азота, и при температуре, достаточно высокой для окисления топлива и других загрязняющих веществ, которые вводятся в камеру.
Воздушно-топливная смесь проходит через реакционную камеру и поглощает тепло из внутренней части реакционной камеры, которая может включать в себя наполнитель, возможно содержащийся в камере. В результате температура воздушно-топливной смеси постепенно повышается, когда смесь проходит через реакционную камеру. Когда температура воздушно-топливной смеси достигнет температуры самовозгорания топлива или превысит температуру самовозгорания топлива, топливо подвергается экзотермической реакции окисления. Таким образом, реакция окисления может инициироваться независимо от материала, представляющего собой катализатор окисления, или источника зажигания. В некоторых случаях каталитический материал может быть предусмотрен в реакционной камере для эффективного снижения температуры возгорания топлива, но преимущества систем, описанных в данном документе, включают эксплуатацию реакционной камеры для обеспечения постепенного окисления воздушно-топливной смеси без катализатора.
Когда топливо окисляется, экзотермическая реакция обеспечивает передачу тепла реакционной камере и, возможно, наполнителю, и тепловая энергия передается в другую зону проточного канала в реакционной камере. Тепловая энергия, передаваемая через реакционную камеру, может передаваться поступающему топливу для того, чтобы способствовать инициированию окисления поступающего топлива. Реакционная камера может быть выполнена с такой конструкцией, что в некотором диапазоне рабочих условий (например, при максимальной скорости потока и концентрации топлива) достаточное время пребывания и температура топлива обеспечиваются для создания возможности окисления некоторой части или всего топлива в воздушно-топливной смеси по существу до полного окисления. В некоторых случаях температура смеси воздуха и топлива в реакционной камере может регулироваться для поддержания максимальной температуры смеси воздуха и топлива по существу на уровне или ниже желательной температуры на входе турбины.
x
x
Как описано выше, несколько вариантов осуществления предусматривают добавление пара или воды в систему по одной или нескольким из многих причин (например, для уменьшения вероятности горения, для регулирования температуры, для повышения эффективности/кпд и/или выхода и т.д.). Различия между данными системами и системами сжигания в отношении ввода пара или воды являются существенными. Например, ввод пара или воды до камеры сгорания газовой турбины по ходу потока может повлиять на полноту сгорания и может привести к выпуску несгоревших углеводородов. Ввод пара за камерой сгорания газовой турбины по ходу потока окажет охлаждающее воздействие на газы и, следовательно, потребует обеспечения дополнительного топлива в камере сгорания, что вызывает увеличение максимальной температуры пламени и увеличение образования вредных выбросов оксидов азота (NO). Ввод воды за камерой сгорания по ходу потока потребует сжигания большего количества топлива, что приводит к дополнительному ухудшению ситуации вследствие образовании еще большего количества вредных оксидов азота (NO).
Варианты осуществления систем постепенного окисления, описанных в данном документе, позволяют избежать подобных проблем, поскольку они создают возможность наличия достаточного времени для обеспечения возможности выхода из потенциальных нештатных ситуаций, связанных с нарушениями технологического режима, описанных выше. Данные варианты осуществления также имеют ряд других преимуществ. Реакционная камера имеет значительно большие размеры, чем камера сгорания. Она может быть заполнена керамическим наполнителем. Любые растворенные твердые вещества, которые имеются в воде, будут адсорбироваться на наполнителе, в результате чего уменьшается или устраняется потребность в очистке воды перед использованием. В ряде случаев применения, например, связанных со свалками и реакторными установками для гидролиза на водоочистных станциях, большое количество загрязненной воды скапливается на месте. В ином случае данную воду пришлось бы перемещать к оборудованию для очистки подобной загрязненной воды. За счет ввода воды в систему и даже в реакционную камеру не только обеспечивается разложение загрязняющих веществ, но любой энергетический потенциал в подобных загрязняющих веществах «извлекается» посредством окисления загрязняющих веществ.
Фиг.8 иллюстрирует варианты осуществления схемы технологического процесса для газотурбинной системы 500 с нагнетанием пара. Воздух всасывается в систему из источника 110 воздуха, и топливный газ вводится посредством источника 136 топлива. Воздух и топливо смешиваются вместе при атмосферном давлении, и смесь подвергается сжатию в компрессоре 114. Сжатая смесь нагревается в теплообменнике 122, откуда она подается по трубе 128 в реакционную камеру 101 постепенного окисления.
x
В реакционной камере 101 поддерживается температура, достаточная для окисления топлива в смеси, при этом теплота окисления обеспечивает повышение температуры получаемых газов. Температура в реакционной камере 101 поддерживается достаточно высокой для окисления всего топлива в смеси, но ниже температуры, которая вызвала бы образование вредных газообразных оксидов азота (NO).
Газ, выходящий из реакционной камеры 101, отводится по выпускной трубе 132 и трубопроводу 130 к турбине 115, в которой выходящий газ расширяется, отдавая полезную мощность для приведения в действие компрессора 114 и для других применений, таких как выработка электричества посредством генератора. Плотность газа обратно пропорциональна его температуре. Когда температура окружающей среды повышается, плотность поступающего воздуха и смеси топлива и воздуха уменьшается, и, следовательно, масса газа, проходящего через компрессор, также снижается. Данный меньший поток массы приводит к уменьшению выходной мощности, обеспечиваемой газовой турбиной, в результате чего уменьшается энергия, преобразуемая в электричество.
В некоторых зонах наиболее дорогая электроэнергия - это электроэнергия во время пиков в летние дни, поскольку именно тогда потребность является наибольшей и именно тогда выработка электроэнергии традиционными электростанциями снижается. Газотурбинные системы, описанные в данном документе, могут обеспечить повышение выходной мощности газотурбинной электростанции, в результате чего выработка электроэнергии будет происходить точно тогда, когда потребность в ней наибольшая. Один способ, каким это может быть обеспечено, состоит во введении воды или пара в систему.
Вода может поступать из источника 150 воды или из резервуара 104 для жидкости, имеющего источник 131 жидкости. Вода подается по трубопроводу 106 к насосу или устройству 108 создания давления, в котором ее давление повышается. После этого вода подводится в испарительную камеру 118, и образующийся в результате пар подводится по трубопроводу 120 в трубопровод 128, из которого он затем вводится в реакционную камеру 101. Тепло для испарения воды отбирается от газа, выходящего из турбины, который проходит по трубопроводу 126, через теплообменник 122, по трубопроводу 124 в испарительную камеру 118. Смесь пара, воздуха и топлива, подведенная в реакционную камеру 101 посредством трубопровода 128, имеет больший поток массы, чем смесь, включающая в себя только воздух и топливо. При большем потоке массы теперь имеется увеличенный поток массы, проходящий через реакционную камеру 101 и через турбину 115, что приводит к увеличенной выработке электроэнергии.
В некоторых вариантах осуществления вода или пар, нагнетаемая(-ый) в систему, содержит от приблизительно 50 объемных процентов до приблизительно 80 объемных процентов топливной смеси, содержащей топливо и воздух. В некоторых вариантах осуществления вода или пар, нагнетаемая(-ый) в систему, содержит от приблизительно 40% до приблизительно 85% топливной смеси, и в дополнительных вариантах осуществления вода или пар содержит от приблизительно 20% до приблизительно 90% топливной смеси.
Другие реакции могут способствовать достижению увеличенного выхода. Пар, поступающий в трубопровод 128, имеет более низкую температуру, чем смесь топлива и воздуха, и, следовательно, температура газов, поступающих в реакционную камеру 101, будет ниже, чем без введения пара. Следовательно, предпочтительно увеличить или отрегулировать иным образом отношение топлива к воздуху в газе, поступающем в компрессор 114, в зависимости от количества пара, подлежащего вводу в трубопровод 128.
В некоторых вариантах осуществления отношение топлива к воздуху зависит от количества пара, вводимого в трубопровод 128. Например, во время эксплуатации система может работать в первом состоянии без ввода пара в трубопровод 128. В данном первом состоянии система может работать при первом отношении топлива к воздуху. Во втором состоянии пар может вводиться в трубопровод 128, и желательное отношение топлива к воздуху может быть определено и реализовано в зависимости от количества пара, вводимого в трубопровод 128, для поддержания процессов постепенного окисления в реакционной камере 101. Поддержание процесса окисления может быть осуществлено без повышения максимальной температуры внутри реакционной камеры при одновременном обеспечении по-прежнему полного окисления топлива внутри реакционной камеры.
Увеличенный поток массы и поток топлива обеспечат увеличение энергии, подаваемой к турбине 115, и, следовательно, повышение выходной мощности турбинной системы. Энергия, потребляемая компрессором 114, остается в значительной степени такой же, как раньше, и увеличенная выходная мощность турбины используется генератором для увеличения выработки им электроэнергии.
Фиг.9 показывает варианты осуществления модифицированной схемы потоков, которая обеспечивает достижение по существу такого же результата, как и варианты осуществления, показанные на фиг.8. В газотурбинной системе 600 по фиг.9 пар, подводимый по трубопроводу 120, подается непосредственно в реакционную камеру 101 посредством трубопровода 155. Пар вводится из трубопровода 155 в реакционную камеру 101 посредством впускного элемента 160, который может представлять собой, например, сопло. Несмотря на то что место ввода находится дальше по ходу потока, чем ранее (то есть находится в реакционной камере 101 вместо нахождения его в трубопроводе 128), результаты по существу такие же. Дополнительный поток топлива может быть обеспечен посредством увеличения отношения топлива к воздуху, в результате чего дополнительное тепло выделяется внутри реакционной камеры 101 и, следовательно, температура повышается до того же порогового значения, что и ранее, что обеспечивает наличие дополнительной энергии, преобразуемой в электричество.
Газ, выходящий из реакционной камеры 101, вытесняется по выпускной трубе 132 и трубопроводу 130 к турбине 115, в которой выходящий газ расширяется, отдавая энергию для приведения в действие компрессора 114. После расширения выходящего газа в турбине 115 он подводится в теплообменник 122 для нагрева смеси топлива и воздуха, поступающей из компрессора 114. Затем выходящий газ подводится в испарительную камеру 118 по трубопроводу 124 для нагрева и/или испарения воды из устройства 108 создания давления. После прохода через испарительную камеру 118 выходящий газ может быть выпущен из системы по выпуску 112.
Фиг.10 иллюстрирует дополнительные варианты осуществления газотурбинной системы 700, в которой предусмотрено введение воды непосредственно в реакционную камеру 101. При данной проиллюстрированной схеме потоков испарение воды происходит внутри реакционной камеры 101. Это требует еще более высокого отношения топлива к воздуху, чем ранее, для получения энергии, необходимой для нагрева воды и превращения ее в пар путем испарения в реакционной камере 101.
Вода подается из источника 131 жидкости в устройство 108 создания давления по трубопроводу 106. После этого вода подводится из устройства 108 создания давления непосредственно в реакционную камеру 101 по трубопроводу 120. Вода вводится в реакционную камеру из трубопровода 120 через впускной элемент 165, который может представлять собой, например, сопло. Газ, выходящий из реакционной камеры 101, вытесняется по выпускной трубе 132 и трубопроводу 130 к турбине 115, в которой выходящий газ расширяется, отдавая энергию для приведения в действие компрессора 114. После расширения выходящего газа в турбине 115 он подводится в теплообменник 122 для нагрева смеси топлива и воздуха, поступающей из компрессора 114. Затем выходящий газ может быть выпущен из системы по выпуску 112.
В системе эффективность может быть повышена за счет использования тепла отходящих газов для образования пара, и чем больше утилизация отходящего тепла при парообразовании, тем более эффективной может быть система. Влияние на эффективность может быть рассчитано следующим образом: Если 100 кВт·ч тепловой энергии «имеется» в топливе, то приблизительно 30 кВт·ч тепловой энергии преобразуются в электроэнергию. Без нагнетания пара остальные 70 кВт·ч тепловой энергии уходят с отходящими газами, в результате чего получают кпд, составляющий, например, приблизительно 30%. Однако, если будет предусмотрено нагнетание пара, то приблизительно 35 кВт·ч тепловой энергии, в противном случае расходуемой бесполезно, посредством системы может быть передано воде для образования пара. Данный пар теперь должен быть смешан с другими газами и дополнительно нагрет для повышения температуры газов до заданного порогового значения. Данный нагрев требует подвода и окисления дополнительного топлива. Когда, например, требуется 10 кВт·ч дополнительного топлива для нагрева пара до соответствующей температуры и если генерируются дополнительные 3 кВт·ч, эффективность остается такой же, как ранее: кпд будет равен приблизительно 30%. При генерировании больше, чем дополнительные 3 кВт·ч, эффективность/кпд повышается до значений, превышающих приблизительно 30%, и если генерируется менее 3 дополнительных кВт·ч, то эффективность/кпд снижается до значений менее приблизительно 30%.
Дополнительные соображения включают соображения относительно электроэнергии, требуемой для нагнетания воды до заданного давления, и относительно потерь в системе, возникающих в результате увеличенного потока. В то время как эффективность описанной системы может быть повышена по сравнению с системами, не включающими воду или пар, одно из преимуществ вариантов осуществления, описанных в данном документе, заключается в том, что системы постепенного окисления, которые предусматривают подачу дополнительной воды или пара, могут обеспечить получение большей выходной мощности, в особенности тогда, когда условия окружающей среды в противном случае привели бы к снижению выходной мощности.
Несмотря на то что предпочтительные варианты осуществления изобретения были описаны подробно, определенные изменения и модификации, включая варианты осуществления, которые не имеют всех признаков и не обеспечивают всех преимуществ, описанных в данном документе, будут очевидными для специалистов в данной области техники. Специалистам в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение не ограничивается конкретно раскрытыми вариантами осуществления и охватывает другие альтернативные или дополнительные варианты осуществления и/или применения и их очевидные модификации и эквиваленты. Кроме того, Несмотря на то что некоторое количество разновидностей было показано и описано с изменяющимися деталями, другие модификации, которые находятся в пределах объема настоящего изобретения, будут очевидными для специалистов в данной области техники исходя из данного раскрытия.
Также предусмотрено, что различные комбинации или субкомбинации определенных признаков/элементов и аспектов вариантов осуществления могут быть реализованы и могут находиться по-прежнему в пределах объема настоящего изобретения. Соответственно, следует понимать, что различные признаки/элементы и аспекты раскрытых вариантов осуществления могут быть скомбинированы или заменены друг на друга для образования изменяющихся вариантов осуществления настоящего изобретения. Таким образом, предусмотрено, что объем настоящего изобретения, раскрытого в данном документе, не должен быть ограничен конкретными раскрытыми вариантами осуществления, описанными выше.