СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УДАЛЕНИЯ ВОДЫ И СИЛОКСАНОВ ИЗ ГАЗА
METHOD AND DEVICE FOR REMOVAL OF WATER AND SILOXANES FROM GASES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам удаления воды и силоксанов из газа.
Раскрытие изобретения
В соответствии с одним вариантом настоящее изобретение представляет собой способ удаления воды и силоксанов из газа, при этом данный способ содержит: а) расширение газа для его охлаждения и замораживание, по меньшей мере, части воды в газе, б) удаление силоксанов и замороженной воды из газа из расширенного и охлажденного газа. Способ содержит также сжатие газа до его расширения. Этап расширения газа может включать в себя его расширение через турбину. Способ может также включать в себя механизм, использующий входную энергию для управления одним или обоими компрессором и турбиной. Лед и силоксаны могут быть удалены из газа с помощью циклонного сепаратора.
В соответствии с другим вариантом настоящее изобретение представляет собой устройство удаления силоксанов и воды из газа, при этом данное устройство содержит: средство для расширения и охлаждения сжатого газа, служащее для замораживания воды в газе, и сепаратор, служащий для удаления льда и силоксанов из расширенного и охлажденного газа.
Другие особенности настоящего изобретения будут понятны из рассмотрения подробного описания и прилагаемых чертежей.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена схема первого варианта восстановителя топлива в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 приведена схема второго варианта восстановителя топлива в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.3 приведена схема дополнительного нагнетателя топлива.
На фиг.4 приведена схема микротурбинного генератора для использования с устройством по настоящему изобретению.
Подробное описание
Перед тем, как будет подробно рассмотрен каждый вариант осуществления настоящего изобретения, следует понять, что настоящее изобретение не ограничивается конструктивными деталями и расположением элементов, указанными в данном описании и на прилагаемых чертежах. На практике возможны другие варианты осуществления настоящего изобретения, и оно может быть выполнено иными способами. Кроме того, должно быть понятно, что примененные понятия и термины служат для описания и не являются ограничивающими. Использование понятий «включающий», «содержащий» или «имеющий» и различные их варианты приводятся для обобщения нижеследующих пунктов и эквивалентны, так же как и дополнительные пункты. Пока не указано иное, понятия «установленный», «присоединенный», «закрепленный» и «спаренный» и различные их варианты широко используются и охватывают как прямые, так и косвенные крепления, соединения, удерживания и сцепления. Более того, понятия «соединенный» и «спаренный» не ограничиваются физическими или механическими соединениями или сцеплениями. Кроме этого, хотя приведенные варианты содержат конкретные значения давления и температуры газа, эти значения относятся к приведенным примерам и не ограничивают объем настоящего изобретения, определяемый формулой.
На фиг.1 приведена система восстановления топлива 10, которая получает газ из источника топлива 15, удаляет воду и примеси из газа и доставляет газ в устройство потребления топлива 20. Система 10 содержит газоочиститель 25, компрессор 30, источник энергии 35, турбину 40, спаренную с помощью вала 45 с компрессором 30 для обеспечения их совместного вращения, послеохладитель 50, механизм обдува 55, экономайзер 60, сепаратор влаги 65 и сепаратор 70 твердых частиц.
Источником топлива 15 может быть, например, объект по переработке сточных вод, мусорная свалка или другое место, из которого извлекают газ. Загрязнения газа могут представлять собой, например, силоксаны или другие загрязнения, которые вызывают засорение или повреждение камеры сгорания и связанных с ней движущихся частей, если их не удалить из газа. Устройством потребления топлива 20 может быть, например, факел, который сжигает газ для уменьшения количества несгоревших углеводородов, которые выбрасываются в окружающую среду. В другом варианте устройством потребления топлива может быть машина, работающая от газового топлива. Примерами таких машин являются поршневые машины, микротурбинные машины и более мощные газовые турбины. Примерами работы, производимой такими машинами, являются производство электроэнергии, управление кристаллизаторами, холодильниками или компрессорами, попутное получение горячей воды, подъем, опускание или другие перемещения объектов.
На объекте по переработке сточных вод или на свалке газ извлекают при 0 атм и 38°С, представляющих собой давление и температуру, при которых происходят определенные реакции в газовом автоклаве на объекте. В некоторых случаях температура и давление газа будут изменяться в зависимости от типа имеющей место реакции. Газ подводят в газоочиститель 25, который удаляет водные капли, присутствующие в газе. На выходе газоочистителя 25 газ является 100% насыщенным газом (например, в точке конденсации). Насыщенный газ проходит в компрессор 30, в котором давление газа возрастает до 1,05 атм и температура до 82°С. В этом отношении компрессор 30 возбуждает газ до того, как газ попадает в турбину. В других вариантах осуществления настоящего изобретения газ может быть возбужден различными средствами, такими как вентилятор.
Неотъемлемая неэффективность компрессорно-турбинного устройства обуславливает необходимость установки дополнительной системы 10 восстановления топлива. Эта дополнительная энергия подается с помощью источника энергии 35, который может быть использован также для запуска процесса. Показанный источник энергии 35 содержит колесо Пелтона 75, установленное с возможностью вращения от компрессора 30 (например, на валу 45), электродвигатель 80, масляный компрессор 85 и блок 90 управления приводом с изменением частоты. Блок 90 управления приводом с изменением частоты вырабатывает параметр в системе 10 восстановления топлива и регулирует скорость вращения электродвигателя 80 с тем, чтобы сохранить значение параметра в требуемом диапазоне. Измеряемым параметром может быть, например, давление, температура или объемный поток газа на входе или выходе из турбины 40, или некоторые другие параметры, которые характеризуют температуру газа (т.е. с помощью которых она может быть вычислена или получена умозаключением). Электродвигатель 80 приводит в действие масляный компрессор 85, который, в свою очередь, заставляет масло падать на колесо Пелтона 75, вызывая поворот колеса Пелтона 75 и компрессора 30. В приведенном варианте осуществления настоящего изобретения блок управления 90 управляет электродвигателем 80 для поддержания температуры на выходе турбины около -29°С.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения компрессор 30 и турбина 40 могут не быть спарены для вращения, и источник энергии 35 может приводить во вращение только один из них. Например, если источник энергии 35 приводит во вращение только компрессор 30, то энергия сжатого газа будет вызывать вращение турбины 40. В другом варианте осуществления настоящего изобретения над компрессором 30 может быть расположен предварительный компрессор (приводимый в действие источником энергии), служащий для обеспечения достаточного возбуждения потока газа, необходимого для приведения во вращение узла компрессор/турбина, при этом сборка компрессор/турбина может быть свободно вращающейся. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения источник энергии 35 может содержать электродвигатель 80, непосредственно приводящий в действие компрессор 30 или приводящий в действие компрессор 30 с помощью магнитной муфты. Источник энергии 35 может иметь иной вид в других вариантах при условии, что источник энергии 35 обеспечивает подачу энергии, необходимой для работы устройства.
От компрессора 30 газ проходит через послеохладитель 50, который в показанном варианте осуществления настоящего изобретения использует поток воздуха для охлаждения сжатого газа. Поток воздуха подается с помощью механизма обдува 55. В показанном варианте механизм обдува 55 содержит электродвигатель 95, вентилятор 100 и блок 105 управления приводом с изменением частоты. Блок 105 управления приводом с изменением частоты управляет скоростью вращения электродвигателя 95 и вентилятора 100 с целью сохранения другого параметра внутри заданного диапазона. В показанном варианте осуществления настоящего изобретения блок 105 управления приводом обеспечивает поддержание температуры газа на выходе экономайзера 60 на уровне около 4,4°С. В показанном варианте осуществления настоящего изобретения при прохождении через послеохладитель 50 будет иметь место некоторое падение давления, и давление на выходе послеохладителя будет составлять 1,055 атм. Температура газа на выходе послеохладителя составляет около 28°С. В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения вместо блока 105 управления приводом может быть использован смесительный клапан с температурной регулировкой.
Затем газ проходит через экономайзер 60, который в показанном варианте представляет собой противоточный теплообменник, охлаждающий газ перед попаданием в турбину 40 («входящий газ») и нагревающий газ, покидающий сепаратор твердых частиц 70 («выходящий газ»). В качестве экономайзера 60 может быть использован, например, пластинчатый теплообменник, который обеспечивает прохождение тепла от относительно нагретого входящего газа к относительно холодному выходящему газу, не смешивая при этом газовые потоки. Как упомянуто выше, механизм обдува 55 служит для получения температуры газа на выходе экономайзера 60 около 4,4°С. Небольшое падение давления в экономайзере 60 обеспечит давление на выходе около 1,035 атм.
В еще одном варианте осуществления настоящего изобретения послеохладитель 50 или экономайзер 60 или оба вместе могут быть заменены рефрижераторной системой, которая охлаждает газ до описанной выше температуры.
Перед попаданием в турбину 40 газ проходит через сепаратор влаги 65. Сепаратор влаги 65 удаляет все водяные капли, которые образовались внутри газа в результате конденсации при снижении температуры газа, проходящего через послеохладитель 50 и экономайзер 60. Поскольку температура газа сохраняется выше температуры замерзания воды (эта температура названа здесь как температура «замерзания» для простоты) в данном месте, то не будет возникать значительного количества льда или инея внутри послеохладителя 50 и экономайзера 60. Послеохладитель 50 и экономайзер 60 полезны, однако, для уменьшения температуры газа до значения, несколько большего температуры замерзания, так что уменьшение температуры, которое вызвано расширением газа в турбине 40, приводит к снижению температуры газа ниже точки замерзания.
В тех вариантах осуществления настоящего изобретения, в которых используют относительно большую турбину 40, давление газа может быть уменьшено в дополнительном расширителе до того, как газ попадет в турбину 40, так что давление газа оказывается в интервале значений, которые согласуются с размерами турбины. Примерами относительно больших турбин для этих целей являются модели компании «Гэрэт корпорейшн» (Gerrett Corporation) GT1241 и ОТ 1544, которые имеют размеры, подходящие для устройств с малыми смещениями, включая мотоциклы. Эти относительно большие турбины пригодны для падения давления от 0,5 до 1,05 атм, как показано на фиг.1 и 2. Относительно небольшие турбины, такие как используемые у дантистов, могут быть более пригодными для работы с высоким давлением.
Далее газ проходит через турбину 40, которая вращается вместе с компрессором 30 под действием источника энергии 35. Поскольку газ расширяется от вращения турбины 40, его температура падает примерно до -29°С и давление падает примерно до 0,053 атм. Это вызывает конденсацию и замерзание оставшейся в газе воды, которые появляются на выходе турбины 40. Работа обычных теплообменников основана на контакте между воздухом и большой охлаждаемой поверхностью, передающей тепло. Когда газ, имеющий в своем составе влагу, проходит через такой обычный теплообменник и его температура падает ниже точки замерзания, такой теплообменник склонен к замерзанию и засорению льдом, за счет чего снижается эффективность теплообменника. Расширяющаяся турбина, выполненная согласно настоящему изобретению, охлаждается за счет расширения газа, не передавая тепло через поверхность, что существенно уменьшает загрязнение льдом. Кроме того, турбина 40 в показанном варианте осуществления настоящего изобретения вращается со скоростью от 40000 до 100000 и более об/мин в зависимости от размера турбины 40, а на таких высоких скоростях вращения обычно лед больше источается, чем образуется вновь. Для дальнейшего предотвращения образования льда в показанной турбине 40 температура смазки подшипников турбины 40 может регулироваться, чтобы сохранять лопасти турбины теплыми и поддерживать материал лопастей турбины при температуре, которая выше температуры газа, проходящего через турбину 40. В другом варианте осуществления настоящего изобретения турбина 40 может быть заменена воздушным двигателем, зубчатым насосом, лопаточным насосом, соплом (например, клапаном Джоуля-Томпсона) или другим аналогичным устройством, служащим для косвенного охлаждения газа за счет его расширения без существенного контакта газа с механизмом.
Газ и лед проходят в сепаратор твердых частиц 70, в котором лед отделяется от газа. Так как давление пара и температура газа в турбине 40 падают, то в воде и на льду возникают частицы силоксана. Следовательно, силоксаны удаляются со льдом в сепараторе 70. Итак, газ, выходящий из сепаратора твердых частиц 70 (т.е. упомянутый выше выходящий газ), является сухим и чистым, находится при температуре около -29°С и давлении 0,032 атм (из-за падения давления в сепараторе твердых частиц 70). В показанном варианте осуществления настоящего изобретения сепаратор твердых частиц 70 содержит два сепаратора 110, так что если один сепаратор 110 забьется льдом, клапан 115 может направить поток на другой сепаратор 110, тогда как засоренный сепаратор 110 оттаивает. В одном варианте осуществления настоящего изобретения сепаратор твердых частиц 70 имеет форму циклонного сепаратора, а в другом варианте он представляет собой коагуляционный фильтр или низкоскоростной смеситель.
Затем выходящий газ попадает через экономайзер 60 для предварительного охлаждения входящего газа. Это увеличивает температуру выходящего газа до -5°С и уменьшает давление примерно до 0,021 атм. Увеличение температуры выходящего из экономайзера 60 газа гарантирует, что газ будет находиться при температуре выше точки конденсации, благодаря чему подавляется процесс конденсации. Хотя выходящий газ является совершенно сухим на выходе сепаратора 70, подавление конденсации уменьшает вероятность того, что любая остающаяся вода будет конденсироваться в газе по мере потребления газа в устройстве потребления топлива 20. Из экономайзера 60 газ попадает в устройство потребления топлива 20 или направляется назад (через клапан 120) для смешивания с сырым, грязным газом и его охлаждения по мере его поступления в газоочиститель 25.
На фиг.2 приведена схема другого варианта устройства 125 системы восстановления топлива, в котором аналогичные элементы обозначены теми же номерами, что и на фиг.1. В этом варианте отсутствует послеохладитель 50. Выходящий из газоочистителя 25 газ вначале проходит через экономайзер 60 для уменьшения его температуры примерно до 4,4°С. Шунтирующий клапан 130 управляет количеством газа, втекающего с холодной стороны экономайзера 60, гарантируя то, что вытекающий из экономайзера газ сохраняется при температуре выше точки замерзания. Затем из газа с помощью сепаратора влаги 65 удаляют конденсированную воду. Далее газ проходит через турбину 40, в которой давление газа уменьшается до -0,52 атм и температура до -29°С. Далее газ проходит через сепаратор твердых частиц 70 для удаления льда и силоксанов. Затем газ проходит через экономайзер 60, где его температура возрастает примерно до 4,4°С. В завершении газ проходит через компрессор 30, где его давление возрастает примерно до -0,07 атм и температура примерно до 39°С. Компрессор 30 приводится в действие источником энергии 35, аналогичным первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг.3, некоторые устройства потребления топлива 20, такие как микротурбинные машинные генераторы, работают более эффективно, когда топливный газ подается при повышенном давлении (например, около 6,3 атм). Поскольку для устройства потребления топлива 20 необходим топливный газ при относительно высоком давлении, то может быть использован дополнительный компрессор или дополнительное усиливающее устройство 135, служащее для подъема давления газа на участке до устройства потребления топлива 20. Показанное компрессорное устройство 135 содержит компрессор 140, приводимый в действие электродвигателем 145, и блок управления приводом с изменением частоты 150, который изменяет параметр (например, давление) газа, входящего в компрессорное устройство 135. В компрессоре 140 давление газа возрастает примерно до 6,3 атм и температура газа примерно до 93°С. Кроме этого, внутри компрессорного устройства 135 имеется послеохладитель 155, который уменьшает температуру газа примерно до 38°С. Вентилятор 160, приводимый в действие электродвигателем 165, нагнетает воздух на послеохладитель 155, чтобы облегчить теплообмен. В других вариантах осуществления настоящего изобретения нагнетатель газа 135 может быть расположен перед системой восстановления топлива 10, так что в эту систему 10 поступает газ при относительно высоком давлении. В таких вариантах нагнетаемый газ может получить достаточную энергию, необходимую для приведения в действие компрессора 30 и турбины 40 в системе восстановления топлива 10, что позволяет исключить источник энергии 35. Для этого в закрытой системе расположение нагнетателя газа 135 ниже системы восстановления топлива 10 может обеспечить увеличение коэффициента расширения турбины 40 системы восстановления топлива 10 и также позволяет исключить источник энергии 35.
На фиг.4 приведена схема одного типа устройства потребления топлива 20, которое может быть использовано вместе с любой описанной выше системой восстановления топлива 10, 125, показанной на фиг.1 и 2. Устройство потребления топлива, приведенное на фиг.3, представляет собой микротурбинный машинный генератор 170, который используется в различных применениях, и может быть установлен даже на тормозные башмаки и двигаться между рабочими положениями. Микротурбинные машинные генераторы обычно выдают 2 МВт мощности или менее и являются относительно небольшими по сравнению с мощными генераторами на электростанциях, которые устанавливаются на решетках.
Показанный микротурбинный машинный генератор 170 содержит компрессор 175, рекуператор 180, сжигатель 185, мощную турбину 190 и мощный электрический генератор 195. В компрессоре 175 воздух сжимается и подается на холодную сторону рекуператора 180. Рекуператор 180 может представлять собой, например, противоточный пластинчатый теплообменник. Сжатый воздух предварительно нагревается в рекуператоре 180 и смешивается с газообразным топливом, подаваемым от топливного источника (например, одной из систем восстановления топлива 10, 125, описанных выше и приведенных на фиг.1 и 2), для создания сжигаемой смеси. Преимуществом микротурбинного машинного генератора 170 является увеличение давления топливного газа, используемого в сжигаемой смеси, до 6,3 атм и температуры примерно до 38°С. Для этих применений вышеупомянутый узел компрессора 135 может быть расположен ниже системы восстановления топлива 10, 125 и выше микротурбинного машинного генератора 170.
Горючая смесь сжигается в сжигателе 185, создавая продукты горения. Продукты горения затем расширяются в мощной турбине 190, чтобы передать энергию вращения турбине 190. Вращением турбины 190 приводится в действие электрический генератор 195 через коробку передач 200, производящий электрическую энергию требуемой частоты. В других вариантах осуществления настоящего изобретения вместо коробки передач может быть использована мощная электроника, обеспечивающая получение электрического сигнала требуемой частоты. В показанной микротурбине 170 мощная турбина 190 и компрессор 175 спарены для совместного вращения с помощью вала 205, так что вращение мощной турбины 190 также приводит во вращение компрессор 175. В других вариантах осуществления настоящего изобретения мощная турбина 190 может также приводить в движение мощный генератор 195, а дополнительная газовая турбина может быть использована для приведения в действие компрессора 175. В этих вариантах продукты сгорания расширяются как внутри мощной турбины 190, так и газовой турбины. До выпуска продуктов сгорания из микротурбинной машины 170 они попадают на горячую сторону рекуператора 180 для предварительного нагрева входящего сжатого воздуха. Все остающееся тепло попадает на горячую сторону рекуператора 180 для предварительного нагрева входящего сжатого газа. Все остающееся тепло продуктов сгорания используется для других полезных целей (например, для нагрева воды) в выходном теплообменнике 210 перед тем, как продукты сгорания будут выведены наружу.
Различные особенности и отличия настоящего изобретения указаны в нижеследующей формуле.