СТУПЕНЧАТОЕ ОКИСЛЕНИЕ С ТЕПЛОПЕРЕНОСОМ
GRADUAL OXIDATION WITH HEAT TRANSFER

Уровень техники, к которой относится изобретение
В некоторых промышленных процессах, таких как производство электроэнергии, производство пара и происходящие за счет тепловой энергии химические процессы, тепло можно производить непосредственно или косвенно, сжигая высокоэнергетическое топливо (HEC), такое как пропан или природный газ.
Выбросы газа из органических отходов и другие источники газа, содержащие летучие органические соединения (VOC), рассматриваются как загрязнители. В этих потоках отработавших веществ часто содержится слишком мало топлива, чтобы обеспечивать их самостоятельное горение. В некоторых способах утилизации потоков отработавших веществ, содержащих летучие органические соединения, используются тепловые устройства для окисления следующих типов: (1) сжигающие топливо или вспомогательное топливо тепловые устройства для окисления, (2) каталитические тепловые устройства для окисления, (3) устройства для окисления с рекуперацией тепла и (4) регенеративные тепловые устройства для окисления (RTO).
Сжигающие топливо или вспомогательное топливо тепловые устройства могут включать горелку, камеру для выдерживания, смесительную камеру и дымовую трубу. Фиг. 1-1A иллюстрирует конфигурацию, в которой воздушно-топливная смесь 6 поступает в горелку 2, создавая постоянное пламя, и поток отходов 7 вводится в пламя и подвергается окислению, когда горячие газы проходят через смесительную камеру 3 и камеру для выдерживания 4. Если поток отходов 7 находится в пределах воспламеняемости, он может сгорать непосредственно в горелке 2 вместо образования воздушно-топливной смеси 6. Смесительная камера 3 требуется, если поток отходов и горелка устанавливаются отдельно. Камера для выдерживания 4 обеспечивает достаточное время для завершения окислительных химических реакций. Дымовая труба 5 выводит продукты окисления в атмосферу.
x
Каталитические устройства для окисления, как представлено на фиг. 1-1B, предотвращают термическое образование оксидов азота (NO) посредством сохранения низкой температуры окислительных реакций. Поток отходов 7, содержащий летучие органические соединения, поступает в каталитическую реакционную камеру, 8 имеющую большую площадь внутренней поверхности, которую покрывает катализатор. Каталитические материалы включают благородные металлы, такие как платина, палладий и иридий, а также, в случае определенных летучих органических соединений, оксид меди, ванадий и кобальт. Концентрация летучих органических соединений в потоке отходов 7 должна быть достаточно низкой, чтобы температура реакции не превышала максимальную температуру использования катализатора. Поток отходов 7, как правило, требуется нагревать до температуры в определенном интервале, подходящем для каталитической реакционной способности.
Использование рекуператора 9, как представлено на фиг. 1-1C, может уменьшать эксплуатационные расходы сжигающих топливо тепловых устройств для окисления и каталитических устройств для окисления. Выходящий поток из реакционной камеры 1, которая может представлять собой, например, любую из систем, представленных на фиг. 1-1A или 1-1B, поступает в высокотемпературный рекуператор 9 для нагревания содержащего летучие органические соединения потока отходов 7, как представлено на фиг. 1-1C, или отдельного сжигания воздушно-топливной смеси в случае раздельного поступления, как представлено на фиг. 1-1A. Использование рекуператора 9 может уменьшать или устранять необходимость дополнительного топлива для нагревания реагирующих веществ до соответствующей температуры окисления.
Наконец, можно использовать регенеративные тепловые устройства для окисления летучих органических соединений. В регенеративных тепловых устройствах для окисления тепло сохраняет промежуточный отводящий тепло материал, как правило, твердый керамический материал, для регенерации в течение чередующихся циклов. В цикле используется тепло от предварительно нагретого потока для подогрева содержащего летучие органические соединения потока отходов до более высокой температуры. Если эта температура является достаточно высокой, окисление будет происходить вследствие самовоспламенения, как более подробно обсуждается далее в настоящем документе. Если температура не является достаточно высокой, могут потребоваться сжигание дополнительного топлива и источник воздуха. Имеющий повышенную температуру выходящий поток затем пропускается через охлажденный теплоотвод для утилизации энергии.
Существуют различные подходы к обеспечению циклической работы теплообменного материала. Фиг. 1-1D иллюстрирует систему с использованием двух регенеративных устройств для окисления. В проиллюстрированной конфигурации поток отходов 7 вводится в горячее регенеративное устройство для окисления №1. Поток отходов нагревается, когда он проходит через регенеративное устройство для окисления №1, и в результате этого постепенно охлаждается теплоотводный материал в устройстве для окисления №1, начиная от впуска. После того как поток отходов 7 самовоспламеняется, горячий выходящий газ выходит из устройства для окисления №1 и поступает во впуск устройства для окисления №2, и в результате этого «регенерируется» сохраняющаяся тепловая энергия в теплоотводном материале устройства для окисления №2. Окисленный поток отходов охлаждается, когда он проходит через устройство для окисления №2. Когда устройство для окисления №2 нагревается в достаточной степени, система изменяет свою конфигурацию таким образом, что поток отходов 7 поступает во впуск устройства для окисления №2, а выходящий поток из устройства для окисления №2 поступает во впуск устройства для окисления №1 для регенерации устройства для окисления №1. Технологические циклы с использованием двух конфигураций осуществляются таким образом, что нагревается устройство для окисления, которое предварительно охлаждалось в процессе нагревания поток отходов 7, и наоборот. В некоторых конструкциях регенеративных устройств для окисления используется вращающееся оборудование для периодического изменения направления потоков между циклами или для перемещения регенеративных устройств для окисления между циклами. Другой подход представляет собой использование единственного регенеративного устройства для окисления, но направление потока изменяется для каждого цикла. Одну задачу устройства для окисления представляет собой предварительное нагревание, в то время как другую задачу представляет собой утилизация тепла после окислительной реакции. Изменение направления потока является необходимым, потому что ближайшая к впуску сторона устройства для окисления охлаждается до уровня, при котором она больше не может нагревать поступающий поток отходов 7 до температуры, при которой начинается реакция.
Сущность изобретения
x
2
2
В некоторых обстоятельствах оказывается предпочтительной утилизация низкоэнергетического топлива (LEC), такого как метан, который образуется на некоторых полигонах органических отходов, при одновременном сокращении до минимума содержания нежелательных компонентов, таких как монооксид углерода (CO) и оксиды азота (NO) в отходящих газах. В других обстоятельствах оказывается желательным использование тепла от высокоэнергетического топлива, такого как пропан, для осуществления промышленного процесса или производства электроэнергии без образования вышеупомянутых нежелательных компонентов. Для осуществления этих операций воздушно-топливная смесь, которую образуют низкоэнергетическое топливо и/или высокоэнергетическое топливо, должна нагреваться до температуры, которая является достаточно высокой, чтобы превращать содержащиеся в топливе летучие органические соединения и углеводороды в диоксид углерода (CO) и воду (HO), сохраняя в то же время максимальную температуру воздушно-топливной смеси ниже температуры, при которой в термическом процессе образуются оксиды азота. Любой традиционный процесс горения с открытым пламенем является кандидатом для замены его процессом, в котором уменьшается образование оксидов азота осуществления окислительного процесса при пониженной температуре.
2
2
Кроме того, оказывается желательным использование энергии, которая теряется в других условиях, когда низкоэнергетическое топливо просто утилизируется посредством окисления и превращения летучих органических соединений в CO и HO. Один из недостатков существующих производящих электроэнергию систем, которые приводятся в действие газовыми турбинами, заключается в том, что высокоэнергетическое топливо сгорает, производя тепло, которое приводит в действие турбину. Было бы предпочтительным производство этого тепла с использованием практически «бесплатного» низкоэнергетического топлива и предотвращение или уменьшение расходов на приобретение топлива.
Процессы, которые описаны выше и проиллюстрированы на фиг. 1-1A-1-1D, имеют разнообразные недостатки. Например, что касается теплового устройства для окисления на фиг. 1-1A, если требуется дополнительное топливо для производства воздушно-топливной смеси 6, стоимость этого топлива увеличивает стоимость процесса. Кроме того, температура реакции в горелке 2 является достаточно высокой для термического образования оксидов азота, что более подробно обсуждается далее в настоящем документе.
Катализаторы могут создавать проблемы, связанные с их использованием. Содержащие благородные металлы катализаторы являются редкими и дорогостоящими. В процессе требуется, чтобы поток отходов нагревался до температуры в определенном интервале с использованием любого из разнообразных приспособлений, включая утилизацию тепла, которая описана ниже, но это часто увеличивает стоимость процесса. Катализаторы могут становиться химически неактивными вследствие таких процессов, как спекание, загрязнение или испарение. Топливо из отходов, такое как газ из органических отходов, часто содержит загрязняющие вещества, которые могут значительно сокращать срок службы катализатора. Чтобы регулировать температуру реакции во избежание испарения, состав топлива, технологические параметры сохраняются в заданных пределах, что увеличивает стоимость за счет необходимости наблюдения и регулирования этих параметров.
Рекуператоры имеют несколько недостатков. Рекуператор создает дополнительные инвестиционные расходы на тепловые системы для окисления. Рекуператоры также увеличивают перепад давления в системе, что увеличивает энергопотребление перемещающих потоки устройств, т.е. вентиляторов, которые перемещают поток отходов 7 и воздушно-топливную смесь 6 через систему. Если рекуператор содержит узкие каналы, они могут подвергаться закупориванию и коррозии под действием разнообразных компонентов отходящих газов. Если температура отходящего газа из реакционной камеры является выше максимальной рабочей температуры материалов рекуператора, требуется дополнительное технологическое оборудование, которое охлаждает отходящий газ перед его введением в рекуператор.
Регенеративные устройства для окисления имеют недостатки, заключающиеся в том, что для изменения конфигурации пути течения между циклами требуется значительное усложнение системы высокотемпературных клапанов и труб или физическое перемещение горячих регенеративных устройств для окисления. Кроме того, при изменении конфигурации процесс прерывается, и требуется некоторая система для содержания потока отходов 7 в течение операции по изменению конфигурации.
Процесс постепенного окисления (GO), описанный в настоящем документе, предотвращает недостатки, связанные с традиционными системами для обработки потоков отходов, содержащих летучие органические соединения. Процесс постепенного окисления, когда осуществляется начальный процесс, работает на низкоэнергетическом топливе, и дополнительное высокоэнергетическое топливо не требуется, чтобы поддерживать окислительный процесс. Для процесса постепенного окисления не требуется использование дорогостоящего катализатора, в результате этого уменьшаются инвестиционные расходы, и предотвращается технологическая опасность отравления катализатора. В описанном процессе постепенного окисления в поступающий поток переносится тепло, производимое посредством окисления потока отходов, и в результате этого предотвращается проблема постепенного охлаждения среды, которая наблюдается в регенеративных устройствах для окисления, а также устраняются необходимость дорогостоящих и потенциально ненадежных клапанов и необходимость накопителя для содержания поступающего потока отходов в то время, когда регенеративная система изменяет свою конфигурацию между циклами.
Существуют также обстоятельства, в которых оказываются желательным использование высокоэнергетического топлива при одновременном сокращении до минимума образования нежелательных оксидов азота и CO, а также уменьшение содержания несгоревших углеводородов в отходящих газах. Один из недостатков существующих производящих электроэнергию систем, которые приводятся в действие газовыми турбинами с использованием высокоэнергетического топлива, заключается в том, что процесс горения происходит при температуре, при которой могут образовываться оксиды азота, и что может существовать некоторый уровень оставшихся углеводородов, когда температура смеси уменьшается ниже нижнего предела воспламеняемости в течение процесса горения.
В описанных системах используется процесс постепенного окисления, которое происходит внутри устройства для окисления (также называемое в настоящем документе терминами «устройство для постепенного окисления», «камера для постепенного окисления» и «реакционная камера для постепенного окисления») вместо традиционной камера сгорания для производства тепла, которое приводит в действие систему. В определенных конфигурациях устройство для окисления содержит материал, такой как керамический материал, который имеет пористую структуру, проницаемую для газового потока, и сохраняет свою структуру при температурах, превышающих 1200°F (648,9°C).
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск, и устройство для окисления предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление топлива внутри реакционной камеры; и приспособление для отвода тепла из реакционной камеры, таким образом, что когда адиабатическая температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения, тепло отводится из реакционной камеры, чтобы уменьшать фактическую температуру внутри реакционной камеры до температуры, которая не превышает температуру прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для отвода тепла из реакционной камеры включает теплообменник. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для отвода тепла из реакционной камеры включает текучую среду. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для отвода тепла из реакционной камеры включает приспособление для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для отвода тепла предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры, когда фактическая температура внутри реакционной камеры увеличивается до температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает приспособление для повышения температуры газа на впуске реакционной камеры до уровня выше температуры самовоспламенения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление включает теплообменник внутри устройства для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление окисляемого топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину, которая принимает газ из выпуска реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск, и устройство для окисления предназначается, чтобы поддерживать процесс постепенного окисления внутри реакционной камеры; и теплообменник, который предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры, когда адиабатическая температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения, таким образом, что фактическая температура внутри реакционной камеры уменьшается до уровня, который не превышает температуру прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры, когда фактическая температура реакционной камеры увеличивается до температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину, которая принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы повышать температуру газа, на впуске реакционной камеры, до уровня выше температуры самовоспламенения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник включает текучую среду, поступающую в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы удалять текучую среду из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник включает приспособление для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление окисляемого топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газа, содержащего окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать процесс постепенного окисления топлива внутри реакционной камеры; и перенос тепла из реакционной камеры, когда адиабатическая температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения, таким образом, что фактическая температура внутри реакционной камеры не превышает температуру прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию расширения газа из реакционной камеры в турбине. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию сжатия топлива посредством компрессора перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию переноса тепла из реакционной камеры, что включает введение текучей среды в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию удаления текучей среды из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, текучая среда удаляется из реакционной камеры в форме пара. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает ступенчатое окисление окисляемого топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, тепло отводится из реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газа, содержащего окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать температуру внутри реакционной камеры и постепенно окислять топливо внутри реакционной камеры; и уменьшение температуры внутри реакционной камеры, таким образом, что фактическая температура внутри реакционной камеры остается ниже температуры прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение температуры включает перенос тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию расширения газа из реакционной камеры в турбине. Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию сжатия топлива посредством компрессора перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение температуры включает введение текучей среды в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию удаления текучей среды из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, текучая среда удаляется из реакционной камеры в форме пара. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает ступенчатое окисление окисляемого топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, температура уменьшается таким образом, что температура внутри реакционной камеры не превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение температуры внутри реакционной камеры устройства для окисления, причем реакционная камера, имеет впуск и выпуск и предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление окисляемого топлива; и передача сигнала для уменьшения температуры внутри реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения, таким образом, что температура остается ниже температуры прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкции для отвода тепла из реакционной камеры посредством введения жидкости в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкции для удаления текучей среды из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, инструкции для удаления текучей среды из реакционной камеры включают инструкции для удаления текучей среды в форме пара. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал для отвода тепла из реакционной камеры передается, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал для отвода тепла из реакционной камеры передается, когда температура превышает температуру прекращения горения, по меньшей мере, одного из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение температуры внутри реакционной камеры устройства для окисления, причем реакционная камера, имеет впуск и выпуск и предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление окисляемого топлива; и передача сигнала теплообменнику для отвода тепла из реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкцию для отвода тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкцию для уменьшения температуры посредством введения текучей среды в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкцию для удаления текучей среды из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, инструкция для удаления текучей среды из реакционной камеры включает удаление текучей среды в форме пара. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию периодического вычисления, на основании данных окисляемого топлива, адиабатической температуры реакции внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал для уменьшения температуры внутри реакционной камеры передается, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал для отвода тепла из реакционной камеры передается, когда температура достигает температуры прекращения горения, по меньшей мере, одного из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал для отвода тепла из реакционной камеры передается, когда температура увеличивается до температуры прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение температуры внутри реакционной камеры устройства для окисления, причем реакционная камера, имеет впуск и выпуск и предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление окисляемого топлива; и определение посредством датчика, когда температура внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию передачи сигнала для уменьшения температуры внутри реакционной камеры, когда вычисленная адиабатическая температура реакции внутри реакционной камеры превышает температуру прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, вычисленная адиабатическая температура реакции определяется на основании окисляемого топлива и окислителя внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкцию для отвода тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкцию для уменьшения температуры посредством введения жидкости в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал для уменьшения температуры внутри реакционной камеры передается, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал для отвода тепла из реакционной камеры передается, когда температура превышает температуру прекращения горения, по меньшей мере, одного из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск, и устройство для окисления предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс без катализатора; детекторный модуль, который обнаруживает, когда происходит, по меньшей мере, одно из следующих событий: температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива внутри реакционной камеры, и температура на впуске реакционной камеры достигает порога самовоспламенения; и коррекционный модуль, который передает инструкции, на основании детекторного модуля, чтобы изменять, по меньшей мере, одно из следующих условий: отвод тепла из реакционной камеры и температура на впуске реакционной камеры; в котором коррекционный модуль предназначается, чтобы осуществлять, по меньшей мере, одно из следующих действий: поддерживать фактическую температуру в интервале от температуры реакции до температуры прекращения горения и поддерживать температуру на впуске выше порога самовоспламенения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции, чтобы отводить тепло из реакционной камеры посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции, чтобы отводить тепло из реакционной камеры посредством текучей среды. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции, чтобы повышать температуру на впуске. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник, расположенный внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции, чтобы отводить тепло из реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, система включает турбину, которая принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск, и устройство для окисления предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс без катализатора; детекторный модуль, который обнаруживает, когда происходит, по меньшей мере, одно из следующих событий: температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива внутри реакционной камеры, и температура на впуске реакционной камеры достигает порога самовоспламенения; и коррекционный модуль, который передает инструкции, на основании детекторного модуля, чтобы осуществлять, по меньшей мере, одно из следующих действий: поддерживать фактическую температуру в интервале от температуры реакции до температуры прекращения горения или поддерживать температуру на впуске выше порога самовоспламенения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции теплообменнику, чтобы отводить тепло из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции, чтобы отводить тепло из реакционной камеры посредством текучей среды. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции, чтобы повышать температуру на впуске. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает теплообменник, расположенный внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции, чтобы отводить тепло из реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C).
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск, и устройство для окисления предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс без катализатора; и процессор, который обнаруживает, что происходит, по меньшей мере, одно из следующих событий: температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива внутри реакционной камеры, и температура на впуске реакционной камеры уменьшается и достигает порога самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль, который, на основании процессора, уменьшает фактическую температуру внутри реакционной камеры, чтобы она оставалась ниже температуры прекращения горения топлива, посредством отвода тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль, который, на основании процессора, повышает температуру на впуске выше порога самовоспламенения топлива посредством увеличения продолжительности пребывания окисляемого топлива внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газа, содержащего окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окислительный технологический газа; и изменение, по меньшей мере, одного из параметров, представляющих собой отвод тепла из реакционной камеры и температуру на впуске реакционной камеры, когда происходит, по меньшей мере, одно из следующих событий: фактическая температуру внутри реакционной камеры приближается или увеличивается до температуры прекращения горения топлива, и температура на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, фактическая температура реакционной камеры поддерживается ниже температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, температура на впуске реакционной камеры увеличивается до уровня, который поддерживает окисление топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, температура на впуске увеличивается выше порога самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, температура газа увеличивается посредством теплообменника, расположенного внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию расширения газа из выпуска реакционной камеры в турбине или поршневом двигателе. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию сжатия топлива посредством компрессора перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, отвод тепла из реакционной камеры включает введение жидкости в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию удаления жидкости из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, жидкость удаляется из реакционной камеры в форме пара. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает ступенчатое окисление окисляемого топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, тепло отводится из реакционной камеры, когда температура внутри реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газа, содержащего окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать процесс постепенного окисления; и увеличение, по меньшей мере, одного из параметров, представляющих собой отвод тепла из реакционной камеры, когда адиабатическая температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива; и температуру на впуске реакционной камеры, когда температура на впуске реакционной камеры уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, фактическая температура реакционной камеры поддерживается ниже температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, температура на впуске реакционной камеры увеличивается до уровня, который поддерживает окисление топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, температура на впуске увеличивается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, температура газа увеличивается посредством теплообменника, расположенного снаружи реакционной камеры, и газ пропускается через теплообменник перед введением в реакционную камеру.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газа, содержащего окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать процесс постепенного окисления без катализатора; и увеличение, по меньшей мере, одного параметра, представляющего собой отвод тепла из реакционной камеры, когда температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива, таким образом, что фактическая температура реакционной камеры поддерживается ниже температуры прекращения горения; и температуру на впуске реакционной камеры, когда температура на впуске реакционной камеры уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива, таким образом, что температура на впуске реакционной камеры поддерживается выше уровня, который поддерживает окисление топлива без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, температура на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск и поддерживать окислительный процесс внутри реакционной камеры; детекторный модуль, который обнаруживает, когда температура газа на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения газа, поступающего в первую реакционную камеру; и коррекционный модуль, который передает инструкции, на основании детекторного модуля, чтобы изменять температуру на впуске газа и поддерживать температуру на впуске выше порога самовоспламенения, таким образом, что газ внутри реакционной камеры окисляется без катализатора.
Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции теплообменнику для повышения температуры на впуске. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление газа ниже температуры прекращения горения топлива внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину или поршневой двигатель, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск и поддерживать окислительный процесс внутри реакционной камеры; детекторный модуль, который обнаруживает, когда температура газа на впуске реакционной камеры уменьшается и приближается к порогу самовоспламенения топлива; и коррекционный модуль, который, на основании детекторного модуля, поддерживает температуру на впуске выше порога самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль передает инструкции теплообменнику поддерживать температуру на впуске. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать фактическую температуру внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину или поршневой двигатель, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением газа в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск и поддерживать окислительный процесс; и теплообменник, который поддерживает температуру на впуске реакционной камеры выше порога самовоспламенения топлива, таким образом, что топливо окисляется внутри реакционной камеры выше порога самовоспламенения и ниже температуры прекращения горения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, детекторный модуль, который обнаруживает, когда температура на впуске реакционной камеры достигает порога самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину или поршневой двигатель, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение в реакционной камере, имеющей впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс окисляемого топлива, по меньшей мере, один фактической температуры реакции топлива в реакционной камере и температура на впуске реакционной камеры; определение посредством датчика, когда, по меньшей мере, один фактической температуры реакции приближается или превышает температуру прекращения горения топлива и температура на впуске приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива; и определение, по меньшей мере, одного из событий, представляющих собой уменьшение фактической температуры реакции внутри реакционной камеры, которая остается ниже температуры прекращения горения, и увеличение температуры на впуске, чтобы поддерживать температуру на впуске выше порога самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение фактической температуры реакции включает отвод тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, отвод тепла из реакционной камеры включает введение текучей среды в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, отвод тепла дополнительно включает удаление текучей среды из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы удалять текучую среду в форме пара. Согласно определенным вариантам осуществления, увеличение температуры на впуске включает направление топлива через теплообменник. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, температура прекращения горения составляет приблизительно 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение в реакционной камере, имеющей впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс окисляемого топлива, по меньшей мере, один фактической температуры реакции топлива в реакционной камере и температура на впуске газа на впуске; определение того, когда, по меньшей мере, один фактической температуры реакции приближается или превышает температуру прекращения горения топлива и температура на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива; и передача инструкций, чтобы осуществлять, по меньшей мере, одно из следующих действий: уменьшать фактическую температуру или уменьшать увеличение фактической температуры внутри реакционной камеры, чтобы поддерживать ее ниже температуры прекращения горения, и увеличивать температуру на впуске, чтобы она была выше порога самовоспламенения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, передача включает инструкции, чтобы отводить тепло из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию отвода тепла из реакционной камеры посредством введения текучей среды в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, отвод тепла дополнительно включает удаление текучей среды из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, текучая среда удаляется из реакционной камеры в форме пара. Согласно определенным вариантам осуществления, передача включает увеличение температуры на впуске посредством направления топлива через теплообменник. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, температура прекращения горения составляет приблизительно 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газа, содержащего окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс; и когда температура газа на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива, введение дополнительного тепла в газ таким образом, что температура на впуске поддерживается выше порога самовоспламенения и реакционная камера поддерживает окисление топлива внутри реакционной камеры без катализатора.
Согласно определенным вариантам осуществления, дополнительное тепло вводится посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию работы турбины или поршневого двигателя, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, используется компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газа, содержащего окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее первая реакционная камера, содержащая впуск и выпуск, первая реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать процесс окисления топлива; и когда температура газа на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива, увеличение температуры на впуске до уровня выше порога самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает ступенчатое окисление топлива внутри реакционной камеры без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, температура на впуске увеличивается посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление топлива ниже температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию работы турбины или поршневого двигателя, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию работы компрессора, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как работа реакционной камеры, имеющей впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс, определение того, когда температура на впуске газа, содержащего окисляемое топливо, на впуске приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения топлива; и передача сигнала для увеличения температуры на впуске газа, таким образом, что температура на впуске остается выше порога самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкции для нагревания газа посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление топлива ниже температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление топлива ниже приблизительно 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию работы турбины или поршневого двигателя, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию работы компрессора, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, осуществляется в системе, которая принимает газ, содержащий окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление топлива без катализатора, причем данный способ включает обнаружение того, когда температура газа на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения газа и передачу инструкций, чтобы увеличивать температуру на впуске таким образом, что температура газа на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения, в то время как температура внутри реакционной камеры остается ниже температуры прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, передаются инструкции для увеличения переноса тепла к газу посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление топлива ниже температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление топлива ниже приблизительно 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию работы турбины или поршневого двигателя, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию работы компрессора, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением газа в реакционную камеру.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает стадию работы реакционной камеры, имеющей впуск и выпуск, который предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс, определение посредством датчика, когда температура на впуске газа, содержащего окисляемое топливо, на впуске достигает порога самовоспламенения газа; в котором фактическая температура внутри реакционной камеры поддерживается на уровне ниже температуры прекращения горения и выше порога самовоспламенения, таким образом, что ступенчатое окисление топлива поддерживается внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, передается сигнал для увеличения температуры на впуске газа, чтобы она оставалась выше порога самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, сигнал включает инструкции для увеличения переноса тепла к газу посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск и поддерживать окислительный технологический газа; и теплообменная среда находится внутри реакционной камеры, и эта среда предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры ниже температуры прекращения горения и поддерживать температуру на впуске реакционной камеры топлива на более высоком уровне, чем температура самовоспламенения топлива; причем данная среда предназначается, чтобы циркулировать снаружи реакционной камеры и в результате этого отводить тепло из реакционной камеры поддерживать внутреннюю температуру ниже температуры прекращения горения.
Согласно определенным вариантам осуществления, циркуляция среды предназначается, чтобы нагревать газ на впуске и поддерживать температуру на впуске топлива выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, циркуляция среды предназначается, чтобы отводить тепло от газа внутри реакционной камеры и поддерживать внутреннюю температуру газа ниже температуры прекращения горения газа. Согласно определенным вариантам осуществления, среда включает множество стальных конструкций, которые циркулируют через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, среда включает текучую среду, которая циркулирует через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, скорость, с которой циркулирует среда, определяется на основании, по меньшей мере, одной температуры, представляющей собой внутреннюю температуру и температуру на впуске. Согласно определенным вариантам осуществления, тепло отводится из среды, когда среда циркулирует снаружи реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск, и устройство для окисления предназначается, чтобы поддерживать окислительный технологический газ внутри реакционной камеры; и путь рециркуляции, который направляет, по меньшей мере, часть газообразного продукта, после окисления внутри реакционной камеры, к впуску реакционной камеры и вводит газообразный продукт в реакционную камеру на впуске; причем введение газообразного продукта увеличивает температуру на впуске газа выше температуры самовоспламенения газа.
Согласно определенным вариантам осуществления, рециркуляция газообразного продукта снижает уровень содержания кислорода внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, количество газообразного продукта, который рециркулирует, определяется на основании температуры на впуске. Согласно определенным вариантам осуществления, количество газообразного продукта, который рециркулирует, определяется на основании внутренней температуры реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск, и устройство для окисления предназначается, чтобы поддерживать окислительный технологический газ внутри реакционной камеры; и теплообменная среда находится внутри реакционной камеры, и данная среда предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры ниже температуры прекращения горения и поддерживать температуру на впуске реакционной камеры топлива на более высоком уровне, чем температура самовоспламенения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменная среда включает текучую среду. Согласно определенным вариантам осуществления, текучая среда циркулирует, и циркуляция среды предназначается, чтобы нагревать газ на впуске и поддерживать температуру на впуске газа выше температуры самовоспламенения газа. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменная среда включает песок. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменная среда включает множество равномерно сложенных конструкций. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменная среда включает множество сложенных дисков, причем в каждом из них имеется множество отверстий, через которые допускается поток газа. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменная среда предназначается, чтобы проводить тепло внутри реакционной камеры к впуску, в результате чего газ, который поступает через впуск, нагревается до уровня выше температуры самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, возвратно-поступательный двигатель с расщепленным циклом, который описан в настоящем документе, включает впуск, в который поступает воздушно-топливная смесь, причем данная смесь представляет собой смесь воздуха и газообразного топлива; компрессионную камеру, присоединенную к возвратно-поступательному двигателю, который сжимает смесь в возвратно-поступательной поршневой камере; окислительную камеру, которая предназначается, чтобы принимать смесь из компрессионной камеры через первый впуск и поддерживать окисление смеси при внутренней температуре, являющейся ниже температуры прекращения горения смеси и достаточной для окисления смеси без катализатора; и расширительную камеру, которая принимает газообразный продукт окисления из окислительной камеры и расширяет газообразный продукт внутри расширительной камеры посредством возвратно-поступательного поршня.
Согласно определенным вариантам осуществления, окислительная камера предназначается, чтобы поддерживать температуру смеси на впуске выше температуры самовоспламенения смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает теплообменник, который предназначается, чтобы отводить тепло от газообразного продукта и нагревать смесь перед введением смеси в окислительную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник представляет собой теплообменник типа «труба в трубе». Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает теплообменную среду, которая находится внутри окислительной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, среда предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру окислительной камеры ниже температуры прекращения горения посредством подвода тепла к впуску окислительной камеры и в котором среда на впуске окислительной камеры охлаждается посредством смеси, которая поступает в окислительную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, возвратно-поступательный двигатель с расщепленным циклом, который описан в настоящем документе, включает цикл возвратно-поступательного движения включающий, по меньшей мере, одну компрессионную камеру, в которой находится возвратно-поступательный поршень и, по меньшей мере, одну расширительную камеру, в которой находится возвратно-поступательный поршень; и нагревательный цикл, включающий впуск, в который поступает газовая воздушно-топливная смесь, представляющая собой смесь воздуха и газообразного топлива, впуск предназначается, чтобы направлять смесь в компрессионную камеру; реакционная камера, которая предназначается, чтобы принимать смесь из компрессионной камеры и поддерживать окисление смеси при достаточной температуре внутри реакционной камеры для окисления смеси без катализатора; причем расширительная камера предназначается, чтобы принимать газообразный продукт окисления из реакционной камеры и расширять газообразный продукт внутри расширительной камеры посредством возвратно-поступательного поршня.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает впуск, и реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать температуру смеси на впуске на впуске выше температуры самовоспламенения смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает теплообменник, который предназначается, чтобы отводить тепло от газообразных продуктов реакционной камеры и нагревать смесь перед введением смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник представляет собой теплообменник типа «труба в трубе». Согласно определенным вариантам осуществления, газообразные продукты направляются обратно в реакционную камеру и объединяются с воздушно-топливной смесью, поступающей в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает теплообменную среду, которая находится внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, среда предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси посредством подвода тепла к впуску реакционной камеры и в котором среда на впуске окислительной камеры охлаждается посредством смеси, которая поступает в окислительную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление газовой воздушно-топливной смеси через впуск, причем данная смесь представляет собой смесь воздуха и газообразного топлива; сжатие смеси посредством компрессионной камеры, причем компрессионная камера присоединяется к возвратно-поступательному двигателю, и сжатие смеси в возвратно-поступательной поршневой камере; окисление смеси в реакционной камере, которая предназначается, чтобы принимать смесь из компрессионной камеры через впуск и поддерживать окисление топлива при внутренней температуре реакционной камеры без катализатора; и расширение нагретого газообразного продукта из реакционной камеры в возвратно-поступательной поршневой камере, присоединенной к возвратно-поступательной поршневой камере, в результате которого приводится в действие возвратно-поступательный двигатель.
Согласно определенным вариантам осуществления, температура внутри реакционной камеры поддерживается ниже температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, стадии также включают отвод тепла из реакционной камеры, когда температура в реакционной камере приближается или увеличивается выше температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, температура смеси на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, стадии также включают нагревание смеси посредством теплообменника перед окислением смеси в реакционной камере. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, температура смеси на впуске реакционной камеры является ниже температуры самовоспламенения смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, смесь нагревается внутри теплообменника до температуры выше температуры самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как сжатие воздушно-топливной смеси, представляющей собой смесь воздуха и газообразного топлива, в возвратно-поступательной поршневой компрессионной камере, присоединенной к возвратно-поступательному двигателю; окисление смеси в реакционной камере, которая предназначается, чтобы принимать смесь из компрессионной камеры через впуск, выше температуры самовоспламенения топлива и ниже температуры прекращения горения топлива; и расширение газообразного продукта из реакционной камеры в возвратно-поступательной поршневой камере, присоединенной к возвратно-поступательному двигателю, в результате которого приводится в действие возвратно-поступательный двигатель.
Согласно определенным вариантам осуществления, температура внутри реакционной камеры поддерживается ниже температуры прекращения горения смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию отвода тепла из реакционной камеры, когда адиабатическая температура в реакционной камере приближается или увеличивается выше температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, температура смеси на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию нагревания смеси посредством теплообменника перед окислением топлива в реакционной камере. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, температура смеси на впуске реакционной камеры является ниже температуры самовоспламенения смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, смесь нагревается внутри теплообменника до температуры выше температуры самовоспламенения.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как направление воздушно-топливной смеси, представляющей собой смесь воздуха и газообразного топлива, которая сжимается в возвратно-поступательном компрессионном поршне, присоединенном к возвратно-поступательному двигателю; направление смеси из компрессионного поршня в реакционную камеру, которая предназначается, чтобы постепенно окислять смесь внутри реакционной камеры выше температуры самовоспламенения смеси и ниже температуры прекращения горения смеси; и направление газообразного продукта из реакционной камеры для расширения в возвратно-поступательном расширительном поршне, присоединенном к возвратно-поступательному двигателю, в результате которого приводится в действие возвратно-поступательный двигатель.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения посредством датчика, когда температура в реакционной камере приближается или превышает температуру прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию направления отвода тепла из реакционной камеры, когда температура в реакционной камере достигает температуры прекращения горения, таким образом, что температура в реакционной камере поддерживается ниже температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию поддержания внутренней температуры внутри реакционной камеры ниже приблизительно 2300°F (1260°C).
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение уровня содержания кислорода внутри реакционной камеры, имеющей впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы постепенно окислять топливо в газовой смеси без катализатора; передачу инструкций, чтобы вводить отработавший газ, поступающий из выпуска реакционной камеры и содержащий газообразные продукты окисления топлива внутри реакционной камеры, в реакционную камеру на основании определяемого уровня содержания кислорода.
Согласно определенным вариантам осуществления, введение отработавшего газа включает смешивание отработавшего газа с газовой смесью. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения того, что внутренняя температура в реакционной камере достигает температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию передачи инструкций для уменьшения внутренней температуры в реакционной камере, когда адиабатическая температура внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, инструкции включают отвод тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, передача инструкций предназначается, чтобы изменять температуру прекращения горения топлива внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения температуры поступающей газовой смеси на впуске реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию увеличения температуры газовой смеси на впуске, когда температура на впуске достигает температуры самовоспламенения топлива, таким образом, что температура на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, увеличение температуры включает смешивание отработавшего газа с газовой смесью на уровне или вблизи впуска реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение, по меньшей мере, одного из параметров, представляющих собой уровень содержания кислорода внутри реакционной камеры, имеющей впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы постепенно окислять топливо в газовой смеси без катализатора, и температуру поступающей газовой смеси на впуске реакционной камеры; на основании, по меньшей мере, одного из параметров, представляющих собой определяемый уровень содержания кислорода и температуру на впуске, введение отработавшего газа, поступающего из выпуска реакционной камеры и содержащего нагретые газообразные продукты окисления топлива внутри реакционной камеры, в реакционную камеру, когда, происходит, по меньшей мере, одно из следующих событий: определяемый уровень содержания кислорода приближается или превышает заданный порог, и температура на впуске приближается или становится ниже температуры самовоспламенения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, введение отработавшего газа включает смешивание отработавшего газа с газовой смесью. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения того, что внутренняя температура в реакционной камере достигает температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию уменьшения внутренней температуры в реакционной камере, когда адиабатическая температура внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение внутренней температуры включает отвод тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию, предусматривающую увеличение температуры прекращения горения внутри реакционной камеры посредством уменьшения содержания кислорода внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как определение процессором уровня содержания кислорода внутри реакционной камеры, имеющей впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы постепенно окислять топливо в газовой смеси без катализатора; и на основании определяемого уровня содержания кислорода, введение отработавшего газа, поступающего из выпуска реакционной камеры и содержащего нагретые газообразные продукты окисления топлива внутри реакционной камеры, в реакционную камеру.
Согласно определенным вариантам осуществления, введение отработавшего газа включает смешивание отработавшего газа с газовой смесью. Согласно определенным вариантам осуществления, отработавший газ смешивается с газовой смесью на уровне или вблизи впуска реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения того, что внутренняя температура в реакционной камере приближается или превышает температуру прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию уменьшения внутренней температуры в реакционной камере, когда адиабатическая температура внутри реакционной камеры приближается или превышает температуру прекращения горения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение внутренней температуры включает отвод тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию изменения температуры прекращения горения внутри реакционной камеры посредством изменения содержания кислорода внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как, в первой реакционной камере, имеющей впуск и выпуск, который предназначается, чтобы поддерживать процесс постепенного окисления без катализатора, определение того, когда температура на впуске газовой смеси, включающей окисляемое топливо, на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения топлива; и когда определяемая температура на впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения топлива, увеличение температуры на впуске газовой смеси посредством введения отработавшего газа, содержащего, по меньшей мере, частично окисленный газообразный продукт из реакционной камеры, в газовую смесь на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как ступенчатое окисление первого топлива, в первой газовой смеси, в первой реакционной камере, которая предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление первого топлива в первой реакционной камере без катализатора; введение отработавшего газа, содержащего нагретый газообразный продукт окисления первого топлива в первой реакционной камере, во вторую реакционную камеру; введение второго топлива во вторую реакционную камеру; и окисление второго топлива во второй реакционной камере в процессе постепенного окисления без катализатора; в котором первая внутренняя температура в первой реакционной камере поддерживается ниже температуры прекращения горения первого топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ включает стадию поддержания второй внутренней температуры во второй реакционной камере ниже температуры прекращения горения второго топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию уменьшения второй внутренней температуры во второй реакционной камере, когда адиабатическая температура во второй реакционной камере приближается или превышает температуру прекращения горения второго топлива во второй реакционной камере. Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение второй внутренней температуры включает отвод тепла из второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, температура прекращения горения второго топлива является выше, чем температура прекращения горения первого топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию уменьшения первой внутренней температуры в первой реакционной камере, когда адиабатическая температура в первой реакционной камере приближается или превышает температуру прекращения горения первого топлива в первой реакционной камере. Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение первой внутренней температуры включает отвод тепла из первой реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения первой температуры поступающей газовой смеси на впуске первой реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию увеличения первой температуры на впуске, когда первая температура на впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения первого топлива в первой реакционной камере, таким образом, что первая температура на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения второй температуры на впуске второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию увеличения второй температуры на впуске, когда вторая температура на впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения второго топлива во второй реакционной камере, таким образом, что вторая температура на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию увеличения второй температуры на впуске, включая введение отработавшего газа для смешивания со вторым топливом на уровне или вблизи впуска второй реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как ступенчатое окисление первого топлива, в первой газовой смеси, в первой реакционной камере, которая предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление первого топлива в первой реакционной камере без катализатора; введение отработавшего газа, содержащего нагретый газообразный продукт окисления первого топлива в первой реакционной камере, во вторую реакционную камеру, которая предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление без катализатора; определение процессором уровня содержания кислорода во второй реакционной камере; введение второго топлива во вторую реакционную камеру; и окисление второго топлива во второй реакционной камере в процессе постепенного окисления без катализатора.
Согласно определенным вариантам осуществления, количество и распределение во второй камере поступающего отработавшего газа во вторую камеру определяется на основании определяемого уровня содержания кислорода. Согласно определенным вариантам осуществления, первая внутренняя температура в первой реакционной камере поддерживается ниже температуры прекращения горения первого топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию поддержания второй внутренней температуры во второй реакционной камере ниже температуры прекращения горения второго топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию уменьшения второй внутренней температуры во второй реакционной камере, когда адиабатическая температура во второй реакционной камере приближается или превышает температуру прекращения горения второго топлива во второй реакционной камере. Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение второй внутренней температуры включает отвод тепла из второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию уменьшения первой внутренней температуры в первой реакционной камере, когда адиабатическая температура в первой реакционной камере приближается или превышает температуру прекращения горения первого топлива в первой реакционной камере. Согласно определенным вариантам осуществления, уменьшение первой внутренней температуры включает отвод тепла из первой реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения первой температуры поступающей газовой смеси на впуске первой реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию увеличения первой температуры на впуске, когда первая температура на впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения первого топлива в первой реакционной камере, таким образом, что первая температура на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию определения второй температуры на впуске второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию увеличения второй температуры на впуске, когда вторая температура на впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения второго топлива во второй реакционной камере, таким образом, что вторая температура на впуске поддерживается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, увеличение второй температуры на впуске включает введение отработавшего газа для смешивания со вторым топливом на уровне или вблизи впуска второй реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает первую реакционную камеру, имеющую первый впуск и первый выпуск, причем первая реакционная камера предназначается, чтобы принимать первый газ, содержащий первый окисляемое топливо, первая реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать процесс постепенного окисления первого топлива; и вторую реакционную камеру, имеющую второй впуск и второй выпуск, причем вторая реакционная камера предназначается, чтобы принимать второй газ, содержащий второй окисляемое топливо, вторая реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать процесс постепенного окисления второго топлива; где первая и вторая реакционные камеры предназначаются, чтобы поддерживать внутреннюю температуру в соответствующих реакционных камерах ниже температуры прекращения горения соответствующего топлива; причем вторая реакционная камера предназначается, чтобы принимать отработавший газ, содержащий нагретый газообразный продукт окисления первого топлива в первой реакционной камере, во вторую реакционную камеру через второй впуск.
Согласно определенным вариантам осуществления, система включает теплообменную среду, которая находится внутри, по меньшей мере, одной из реакционных камер, причем данная среда предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры ниже адиабатической температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, одна камера из первой и второй реакционных камер предназначается, чтобы уменьшать соответствующую внутреннюю температуру, когда адиабатическая температура внутри соответствующей реакционной камеры приближается или превышает температуру прекращения горения соответствующего топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, одна камера из первой и второй реакционных камер предназначается, чтобы уменьшать соответствующий внутренняя температура посредством отвода тепла из соответствующей реакционной камеры посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник включает текучую среду, поступающую в соответствующую реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы удалять текучую среду из соответствующей реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник включает приспособление для производства пара.
Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы отводить тепло из соответствующей реакционной камеры, когда температура внутри соответствующей реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, первая реакционная камера предназначается, чтобы увеличивать температуру первого газа на первом впуске, когда первая температура на первом впуске, приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения первого топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, вторая реакционная камера предназначается, чтобы увеличивать температуру второго газа на втором впуске, когда вторая температура на втором впуске, приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения второго топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, вторая реакционная камера предназначается, чтобы смешивать отработавший газ со вторым газом, когда вторая температура на впуске второго газа на втором впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения второго топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, распределение отработавшего газа во второй реакционной камере определяется на основании, по меньшей мере, одной из температур, представляющих собой вторую температура на впуске второго газа на втором впуске и внутреннюю температуру второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину или поршневой двигатель, который принимает газ, по меньшей мере, от одной из реакционных камер. Согласно определенным вариантам осуществления, турбина принимает газ из второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси, по меньшей мере, в одну из реакционных камер. Согласно определенным вариантам осуществления, компрессор предназначается, чтобы сжимать второй газ перед введением второго газа во вторую реакционную камеру.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, которая предназначается, чтобы принимать и окислять газовую смесь, содержащую окисляемое топливо в процессе постепенного окисления внутри реакционной камеры; впуск, который предназначается, чтобы вводить текучую среду в реакционную камеру в течение окислительного процесса, причем текучая среда на впуске имеет меньшую температуру, чем температура внутри реакционной камеры, таким образом, что текучая среда нагревается, когда она поступает в реакционную камеру; и выпуск, который предназначается, чтобы выпускать нагретую текучую среду из реакционной камеры; причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру выше температуры самовоспламенения топлива и ниже температуры прекращения горения топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, впуск предназначается, чтобы вводить жидкость в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, жидкость вводится в реакционную камеру посредством пропускания через один или несколько змеевиков внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, змеевики не находятся в гидравлическом соединении с реакционной камерой. Согласно определенным вариантам осуществления, жидкость вводится в реакционную камеру посредством впрыскивания жидкости в реакционную камеру, таким образом, что жидкость смешивается с газовой смесью внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, впуск предназначается, чтобы вводить текучую среду в реакционную камеру в форме газа. Согласно определенным вариантам осуществления, газ вводится в реакционную камеру посредством пропускания через один или несколько змеевиков внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, змеевики не допускают смешивание газа и газовой смеси внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, газ вводится в реакционную камеру посредством впрыскивания газа в реакционную камеру, таким образом, что газ смешивается с газовой смесью внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, выпуск предназначается, чтобы выпускать нагретую текучую среду из реакционной камеры в форме газа. Согласно определенным вариантам осуществления, выпуск предназначается, чтобы перенаправлять газ в реакционную камеру, таким образом, что газ смешивается с газовой смесью внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, адиабатическая температура реакции внутри реакционной камеры достигает температуры прекращения горения, текучая среда вводится в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, температура на впуске является ниже температуры самовоспламенения топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как направление газовой смеси, содержащей окисляемое топливо, в устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, которая предназначается, чтобы принимать и окислять топливо в процессе постепенного окисления внутри реакционной камеры, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру выше температуры самовоспламенения топлива и ниже температуры прекращения горения топлива; и введение текучей среды в реакционную камеру в течение окислительного процесса, причем текучая среда на впуске имеет меньшую температуру, чем температура внутри реакционной камеры, таким образом, что текучая среда нагревается, когда она поступает в реакционную камеру; и выпуск нагретой текучей среды из реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, текучая среда вводится в реакционную камеру в форме жидкости. Согласно определенным вариантам осуществления, жидкость вводится в реакционную камеру посредством пропускания через один или несколько змеевиков внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, жидкость впрыскивается в реакционную камеру, таким образом, что жидкость смешивается с газовой смесью внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, текучая среда вводится в реакционную камеру в форме газа. Согласно определенным вариантам осуществления, газ вводится в реакционную камеру посредством пропускания газа через один или несколько змеевиков внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, газ впрыскивается в реакционную камеру, таким образом, что газ смешивается с газовой смесью внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, нагретая текучая среда выпускается из реакционной камеры в форме нагретого газа. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию перенаправления нагретого газа в реакционную камеру, таким образом, что нагретый газ смешивается с газовой смесью внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую один или несколько впусков, которые предназначаются, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, в реакционную камеру, и один или несколько выпусков, которые предназначаются, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры, и нагреватель, который предназначается, чтобы поддерживать температуру одного или нескольких, по меньшей мере, из одного газа, на уровне или до одного или нескольких впусков, до уровня выше температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, и в котором реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру и максимальную температуру реакции в реакционной камере ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает единственный впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой смесь поступает в реакционную камеру через впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель предназначается, чтобы смешивать, по меньшей мере, одно вещество из окислителей или разбавителей с топливом на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой один или несколько газов, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, поступает в реакционную камеру через один или несколько впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуски. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую впуск, который предназначается, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, в реакционную камеру и выпуск, который предназначается, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры, и приспособление, которое поддерживает температуру, поступающего газа, вблизи или до впуска, до уровня выше температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, в котором реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру и максимальную температуру реакции в реакционной камере ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество выпусков. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для повышения температуры включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси вблизи или до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для повышения температуры предназначается, чтобы смешивать разбавители с топливом вблизи или до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой смесь поступает в реакционную камеру через впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой один или несколько, по меньшей мере, из одного газа, представляющего собой топливо, окислители или разбавители, поступает в реакционную камеру через один или несколько впусков.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включают реакционную камеру, имеющую один или несколько впусков, которые предназначаются, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, в реакционную камеру, и один или несколько выпусков, которые предназначаются, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры; и нагреватель, который предназначается, чтобы поддерживать температуру одного или нескольких, по меньшей мере, из одного газа, на уровне или до одного или нескольких впусков, до уровня выше температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в котором реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру внутри реакционной камеры выше температуры прекращения горения смеси и максимальную температуру реакции внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления включает теплоотвод, который предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплоотвод предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры посредством образования пара. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает единственный впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой смесь поступает в реакционную камеру через единственный впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель предназначается, чтобы смешивать разбавители с топливом на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуски. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой один или несколько, по меньшей мере, из одного газа, представляющего собой топливо, окислители или разбавители, поступает в реакционную камеру через один или несколько впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую впуск, который предназначается, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в реакционную камеру, и выпуск, который предназначается, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры, приспособление, которое поддерживает температуру смеси вблизи или до множества впусков, на уровне выше температуры самовоспламенения смеси и приспособление, которое поддерживает температуру, поступающего газа, вблизи или до впуска, на уровне выше температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, в котором реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру внутри реакционной камеры выше температуры прекращения горения смеси и максимальную температуру реакции внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество выпусков. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для повышения температуры включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси вблизи или до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для повышения температуры предназначается, чтобы смешивать разбавители с топливом вблизи или до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой смесь поступает в реакционную камеру через впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую один или несколько впусков, которые предназначаются, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислитель или разбавитель, в реакционную камеру, и один или несколько выпусков, которые предназначаются, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры; и нагреватель, который предназначается, чтобы поддерживать температуру одного или нескольких, по меньшей мере, из одного газа, на уровне или до одного или нескольких впусков, ниже температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в котором и реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси и максимальную температуру реакции внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает единственный впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой смесь поступает в реакционную камеру через один или несколько впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой один или несколько, по меньшей мере, из одного газа, представляющего собой топливо, окислители или разбавители, поступает в реакционную камеру через один или несколько впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель предназначается, чтобы смешивать разбавители с топливом на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуски. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую впуск, который предназначается, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в реакционную камеру и выпуск, который предназначается, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры; и приспособление, которое поддерживает температуру, поступающего газа, вблизи или до впуска, ниже температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в котором реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси и максимальная температура реакции внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество выпусков. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление, которое поддерживает температуру, включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси вблизи или до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление, которое поддерживает температуру, предназначается, чтобы смешивать разбавители с топливом вблизи или до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой смесь поступает в реакционную камеру через впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую один или несколько впусков, которые предназначаются, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в реакционную камеру, и один или несколько выпусков, которые предназначаются, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры и нагреватель, который предназначается, чтобы поддерживать температуру одного или нескольких, по меньшей мере, из одного газа, на уровне или до одного или нескольких впусков, ниже температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в котором реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру внутри реакционной камеры выше температуры прекращения горения смеси и максимальную температуру реакции внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, теплоотвод, который предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплоотвод предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры посредством образования пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает теплопередающее устройство внутри реакционной камеры, которое предназначается, чтобы распределять тепло внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплопередающее устройство включает пористую среду внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплопередающее устройство включает текучую среду внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплопередающее устройство включает среду, которая циркулирует через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает единственный впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель предназначается, чтобы смешивать разбавители с топливом на уровне или до одного или нескольких впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой один или несколько, по меньшей мере, из одного газа, представляющего собой топливо, окислители или разбавители, поступает в реакционную камеру через один или несколько впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуски. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления топлива, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую впуск, который предназначается, чтобы направлять, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в реакционную камеру, и выпуск, который предназначается, чтобы направлять продукты реакции из реакционной камеры, и нагреватель для поддержания температуры поступающего газа, вблизи или до впуска, ниже температуры самовоспламенения образующейся смеси внутри реакционной камеры, которая содержит, по меньшей мере, один газ, представляющий собой топливо, окислители или разбавители, в котором реакционная камера предназначается, чтобы окислять смесь и поддерживать адиабатическую температуру внутри реакционной камеры выше температуры прекращения горения смеси и максимальную температуру реакции внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления включает приспособление для отвода тепла из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для отвода тепла предназначается, чтобы отводить тепло из реакционной камеры посредством образования пара. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает приспособление для распределения тепла внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для распределения тепла включает пористую среду внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для распределения тепла включает текучую среду внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, приспособление для распределения тепла включает среду, которая циркулирует через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество впусков. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера включает множество выпусков. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель включает теплообменник, который переносит тепло от продуктов реакции к смеси вблизи или до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, нагреватель предназначается, чтобы смешивать разбавители с топливом вблизи или до впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции и приводить в действие генератор для производства электроэнергии. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы приводить в действие генератор посредством турбины или поршневого двигателя, которые предназначаются, чтобы расширять продукты реакции из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы использовать тепло от продуктов реакции для нагревания материала, который не пропускается через устройство для окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой один или несколько, по меньшей мере, из одного газа, представляющего собой топливо, окислители или разбавители, поступает в реакционную камеру через впуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления предназначается, чтобы изменять скорость потока, при которой продукты реакции направляются из реакционной камеры через выпуск. Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления также включает регулятор, который предназначается, чтобы изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока смеси или давление смеси, на уровне или вблизи впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает первую реакционную камеру, имеющую первый впуск и первый выпуск, причем первая реакционная камера предназначается, чтобы принимать первый газ, содержащий окисляемое топливо, через первый впуск, и первая реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление первого газа и перемещать отработавший газ через первый выпуск; и вторую реакционную камеру, отделенную от первой реакционной камеры и имеющую второй впуск и второй выпуск, причем вторая реакционная камера предназначается, чтобы принимать второй газ, содержащий окисляемое топливо и отработавший газ через второй впуск, вторая реакционная камера, которая предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление второго газа; в котором отработавший газ перемещается от первого выпуска до второго впуска до тех пор, пока внутренняя температура во второй реакционной камере является выше температуры самовоспламенения второго газа.
Согласно определенным вариантам осуществления, отработавший газ не перемещается от первого выпуска до второго впуска после того, как внутренняя температура оказывается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, одна камера, представляющая собой первую или вторую реакционную камеру, предназначается, чтобы уменьшать соответствующую внутреннюю температуру, когда внутренняя температура внутри соответствующей реакционной камеры приближается или превышает температуру прекращения горения соответствующего топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, одна камера, представляющая собой первую или вторую реакционную камеру, предназначается, чтобы уменьшать соответствующую внутреннюю температуру посредством отвода тепла из соответствующей реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, одна камера, представляющая собой первую или вторую реакционную камеру, предназначается, чтобы отводить тепло посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник включает текучую среду, поступающую в соответствующую реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы удалять текучую среду из соответствующей реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник включает приспособление для производства пара. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы отводить тепло из соответствующей реакционной камеры, когда температура внутри соответствующей реакционной камеры превышает 2300°F (1260°C). Согласно определенным вариантам осуществления, вторая реакционная камера предназначается, чтобы смешивать отработавший газ со вторым газом, когда температура второго газа на втором впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения второго топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину или поршневой двигатель, который принимает газ, по меньшей мере, от одной из реакционных камер. Согласно определенным вариантам осуществления, турбина принимает и расширяет газ из второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ перед введением газа, по меньшей мере, в одну из реакционных камер. Согласно определенным вариантам осуществления, компрессор предназначается, чтобы сжимать второй газ перед введением второго газа во вторую реакционную камеру.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает первую реакционную камеру, имеющую выпуск, первая реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление первого газа, содержащего окисляемое топливо и перемещать продукты реакции через первый выпуск; и вторую реакционную камеру, отделенную от первой реакционной камеры и имеющую впуск, который предназначается, чтобы принимать второй газ, содержащий окисляемое топливо и продукты реакции, вторая реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление второго газа и принимать продукты реакции из первой реакционной камеры через впуск, в то время как внутренняя температура во второй реакционной камере является ниже температуры самовоспламенения второго газа.
Согласно определенным вариантам осуществления, продукты реакции не перемещаются во вторую реакционную камеру из первой реакционной камеры после того, как внутренняя температура оказывается выше температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, одна камера, представляющая собой первую или вторую реакционную камеру, предназначается, чтобы уменьшать соответствующую внутреннюю температуру, когда внутренняя температура внутри соответствующей реакционной камеры приближается или превышает температуру прекращения горения соответствующего топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, по меньшей мере, одна камера, представляющая собой первую или вторую реакционную камеру, предназначается, чтобы уменьшать соответствующую внутреннюю температуру посредством отвода тепла из соответствующей реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, вторая реакционная камера предназначается, чтобы смешивать продукты реакции со вторым газом, когда температура второго газа на впуске приближается или уменьшается ниже температуры самовоспламенения второго топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину или поршневой двигатель, который принимает газ, по меньшей мере, от одной из реакционных камер. Согласно определенным вариантам осуществления, турбина принимает и расширяет газ из второй реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ перед введением газа, по меньшей мере, в одну из реакционных камер. Согласно определенным вариантам осуществления, компрессор предназначается, чтобы сжимать второй газ перед введением второго газа во вторую реакционную камеру.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск и поддерживать окислительный процесс; детекторный модуль, который обнаруживает, когда температура газа в реакционной камере приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения газа внутри реакционной камеры, таким образом, что реакционная камера не окисляет топливо; и коррекционный модуль, который передает инструкции, на основании детекторного модуля, чтобы изменять, по меньшей мере, одно из следующих условий: продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры и продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры, достаточная для самовоспламенения и окисления газа во время пребывания внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы изменять продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством изменения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы увеличивать продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством уменьшения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы увеличивать продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством рециркуляции потока газа от выпуска до впуска реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы изменять продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством изменения температуры газа внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы уменьшать продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством увеличения температуры газа внутри реакционной камеры с помощью нагревателя. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы уменьшать продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством циркуляции газообразного продукта от выпуска до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает турбину или поршневой двигатель, который принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает компрессор, который принимает и сжимает газ, составляющий топливную смесь, перед введением топливной смеси в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включает устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск и поддерживать окислительный процесс, детекторный модуль, который обнаруживает, когда температура газа в реакционной камере приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения газа внутри реакционной камеры, таким образом, что реакционная камера не окисляет топливо и коррекционный модуль, который предназначается, чтобы определять, с помощью процессора и на основании детекторного модуля, и изменять, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры и продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры, достаточную для самовоспламенения и окисления газа во время пребывания внутри реакционной камеры, причем данное устройство для окисления предназначается, чтобы, на основании изменения, по меньшей мере, одного из параметров, представляющих собой продолжительность пребывания и продолжительность задержки самовоспламенения, окислять газ в то время, когда газ находится внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы изменять продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством изменения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы увеличивать продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством уменьшения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы увеличивать продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством рециркуляции потока газа от выпуска до впуска реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы изменять продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством изменения температуры газа внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы уменьшать продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством увеличения температуры газа внутри реакционной камеры с помощью нагревателя. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы уменьшать продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством циркуляции газообразного продукта от выпуска до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения без катализатора.
Согласно определенным вариантам осуществления, система для окисления топлива, которая описана в настоящем документе, включают устройство для окисления, имеющее реакционную камеру, содержащую впуск и выпуск, причем реакционная камера предназначается, чтобы принимать газ, содержащий окисляемое топливо, через впуск и поддерживать окислительный процесс и модуль, который передает инструкции, на основании определения температуры реакционной камеры, чтобы увеличивать, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры и температуру реакции внутри реакционной камеры, таким образом, что топливо окисляется в то время, когда оно находится в реакционной камере.
Согласно определенным вариантам осуществления, модуль предназначается, чтобы изменять продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством изменения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, модуль предназначается, чтобы увеличивать продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством уменьшения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, модуль предназначается, чтобы увеличивать продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры посредством рециркуляции потока газа от выпуска до впуска реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, модуль предназначается, чтобы уменьшать продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством увеличения температуры газа внутри реакционной камеры с помощью нагревателя. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль предназначается, чтобы уменьшать продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры посредством циркуляции газообразного продукта от выпуска до впуска.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как в системе для окисления, которая принимает газ, содержащий окисляемое топливо, в реакционную камеру, имеющую впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс, обнаружение того, когда температура газа в реакционной камере приближается или уменьшается ниже уровня таким образом, что реакционная камера самостоятельно не поддерживает окисление топлива, и изменение, на основании детекторного модуля, по меньшей мере, одного из параметров, представляющих собой продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры и продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры, достаточную для самовоспламенения и окисления газа во время пребывания внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, продолжительность пребывания газа изменяется внутри реакционной камеры посредством изменения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, продолжительность пребывания газа изменяется внутри реакционной камеры посредством уменьшения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, продолжительность пребывания газа изменяется внутри реакционной камеры посредством рециркуляции потока газа от выпуска до впуска реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры изменяется посредством изменения температуры газа внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, продолжительность задержки самовоспламенения уменьшается внутри реакционной камеры посредством увеличения температуры газа внутри реакционной камеры с помощью нагревателя. Согласно определенным вариантам осуществления, продолжительность задержки самовоспламенения уменьшается посредством циркуляции газообразного продукта от выпуска до впуска. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию расширения газообразного продукта из реакционной камеры в турбине или поршневом двигателе. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию сжатия газа перед введением газа в реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как в системе для окисления, которая принимает газ, содержащий окисляемое топливо, в реакционную камеру, имеющую впуск и выпуск, которая предназначается, чтобы поддерживать окислительный процесс, обнаружение того, когда температура газа в реакционной камере приближается или уменьшается ниже уровня таким образом, что реакционная камера самостоятельно не поддерживает ступенчатое окисление топлива и изменение, на основании детекторного модуля, продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры, достаточная для самовоспламенения и окисления газа во время пребывания внутри реакционной камеры.
Согласно определенным вариантам осуществления, изменение продолжительности задержки самовоспламенения включает введение дополнительное тепло в реакционную камеру, в результате чего увеличивается температура внутри реакционной камеры до уровня, который поддерживает окисление топлива. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию изменения продолжительности пребывания газа внутри реакционной камеры посредством изменения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию изменения продолжительности пребывания газа внутри реакционной камеры посредством уменьшения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию изменения продолжительности пребывания газа внутри реакционной камеры посредством рециркуляции потока газа от выпуска до впуска реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию расширения газообразного продукта из реакционной камеры в турбине или поршневом двигателе. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает стадию поддержания окисление окисляемого топлива посредством введения источника тепла в реакционную камеру, в результате чего увеличивается температура внутри реакционной камеры до уровня, который поддерживает окисление топлива, когда температура газа в реакционной камере приближается или уменьшается ниже уровня такой температуры, что реакционная камера самостоятельно не поддерживает окисление топлива.
Согласно определенным вариантам осуществления, увеличение внутренней температуры уменьшает продолжительность задержки самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию изменения продолжительности пребывания газа внутри реакционной камеры посредством изменения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию изменения продолжительности пребывания газа внутри реакционной камеры посредством уменьшения потока газа через реакционную камеру. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию изменения продолжительности пребывания газа внутри реакционной камеры посредством рециркуляции потока газа от выпуска до впуска реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление окисляемого топлива ниже температуры прекращения горения без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию расширения газообразного продукта из реакционной камеры в турбине или поршневом двигателе. Согласно определенным вариантам осуществления, окисляемое топливо содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления топлива, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как смешивание газа, содержащего низкоэнергетическое топливо (LEC), с одним или несколькими газами из группы, которую составляют газ, содержащий высокоэнергетическое топливо (HEC), газ, содержащий окислитель, и газ, содержащий разбавитель для получения газовой смеси, причем все газы присутствуют при температуре ниже температуры самовоспламенения любого из газов, которые содержатся в смеси; увеличение температуры газовой смеси, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения газовой смеси и выдерживание газовой смеси для самовоспламенения; и поддержание температуры газовой смеси ниже температуры прекращения горения в процессе окисления самовоспламеняющейся газовой смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, газовая смесь нагревается, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры, которая поддерживает окисление газовой смеси без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, газовая смесь нагревается, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения внутри реакционной камеры, которая поддерживает окисление газовой смеси без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление смеси ниже температуры прекращения горения газовой смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию расширения газа с помощью турбины или поршневого двигателя, который принимает газ из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, газовая смесь содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как нагревание газа, содержащего окислитель, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения первой газовой смеси, содержащей газ, с окислителем, где смешиваются в определенных соотношениях низкоэнергетическое топливо (LEC) и высокоэнергетическое топливо (HEC); впрыскивание после нагревания второй газовой смеси, содержащей низкоэнергетическое газообразное топливо и высокоэнергетическое топливо, причем соотношение низкоэнергетического и высокоэнергетического газа и скорость впрыскивания выбираются таким образом, чтобы производить практически такие же соотношения в первой газовой смеси, как соотношения при впрыскивании в нагретый газ, содержащий окислитель; смешивание впрыскиваемого второго газа с нагретым газом, содержащим окислитель, при такой скорости, чтобы производить практически гомогенную первую газовую смесь в течение меньшего времени, чем продолжительность задержки воспламенения для второй газовой смеси, и выдерживание первой газовой смеси для самовоспламенения; и поддержание температуры первой газовой смеси ниже температуры прекращения горения в то время, когда самовоспламеняющаяся первая газовая смесь окисляется.
Согласно определенным вариантам осуществления, первая газовая смесь нагревается, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения посредством теплообменника. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры, которая поддерживает окисление первой газовой смеси без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, первая газовая смесь нагревается, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения внутри реакционной камеры, которая поддерживает окисление газовой смеси без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление второй газовой смеси ниже температуры прекращения горения газовой смеси. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию расширения газа с помощью турбины или поршневого двигателя, который принимает газ из реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, первая газовая смесь содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление в реакционную камеру, через впуск камеры, причем данный впуск предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, одного газа из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ, причем данная газовая смесь присутствует при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси; поддержание температуры внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения с помощью теплообменной среды, расположенной внутри реакционной камеры, поддержание температуры на впуске реакционной камеры топлива на более высоком уровне, чем температура самовоспламенения топлива, путем переноса тепла через теплообменную среду и направление газа, поступающего во впуск через первый путь через среду, которая имеет более высокую температуру, чем температура самовоспламенения газовой смеси, до тех пор, пока газовая смесь не достигнет температуры выше температуры самовоспламенения газовой смеси; и направление газа по второму пути через среду к выпуску камеры, причем второй путь, как правило, является противоположным первому пути течения.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление газовой смеси без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера поддерживает окисление смеси ниже температуры прекращения горения газовой смеси с помощью циркуляции теплообменной среды снаружи реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, способ также включает стадию расширения газа с помощью турбины или поршневого двигателя, который принимает газ из реакционной камеры выпуск. Согласно определенным вариантам осуществления, газовая смесь содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую впуск и выпуск, впуск, который предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, одного газа из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ, причем газовая смесь присутствует при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси; теплообменная среда расположена внутри реакционной камеры, и данная среда предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры ниже температуры прекращения горения и поддерживать температуру на впуске реакционной камеры топлива на более высоком уровне, чем температура самовоспламенения топлива; и, по меньшей мере, один путь течения через камеру от впуска до выпуска, причем данный путь течения предназначается, чтобы направлять газ, поступающий во впуск по первому пути через среду, которая имеет более высокую температуру, чем температура самовоспламенения газовой смеси до тех пор, пока газовая смесь не достигнет температуры выше температуры самовоспламенения газовой смеси, причем данный путь течения также предназначается, чтобы направлять окисляющуюся газовую смесь по второму пути через среду к выпуску, и второй путь, как правило, является противоположным первому пути течения.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление газовой смеси на протяжении, по меньшей мере, одного пути из первого и второго путей течения без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление смеси ниже температуры прекращения горения газовой смеси с помощью циркуляции теплообменной среды снаружи реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает, по меньшей мере, одно устройство, представляющее собой турбину или поршневой двигатель, которое предназначается, чтобы принимать газ из выпуска реакционной камеры и расширять газ. Согласно определенным вариантам осуществления, газовая смесь содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую впуск и выпуск, впуск, который предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, один газ из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ, причем данная газовая смесь присутствует при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси; и тепловой контроллер, который предназначается, чтобы увеличивать температуру газовой смеси, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения газовой смеси, в результате этого обеспечивается самовоспламенение газовой смеси, и температура газовой смеси поддерживается ниже температуры прекращения горения в процессе окисления самовоспламеняющейся газовой смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, тепловой контроллер включает теплообменник, который предназначается, чтобы повышать температуру смеси, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник предназначается, чтобы нагревать смесь до уровня выше температуры самовоспламенения после того, как смесь оказывается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление смеси ниже температуры прекращения горения газовой смеси без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает, по меньшей мере, одно устройство, представляющее собой турбину или поршневой двигатель, которое принимает газ из реакционной камеры и расширяет газ. Согласно определенным вариантам осуществления, газовая смесь содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления, которое описано в настоящем документе, включает реакционную камеру, имеющую впуск и выпуск, причем впуск предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, один газ из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ, причем газовая смесь присутствует при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси; тепловой контроллер, который предназначается, чтобы нагревать газ, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения первой газовой смеси, содержащей газ с окислителем, смешанные в определенных соотношениях с низкоэнергетическим топливом (LEC) и высокоэнергетическим топливом (HEC); инжектор, который предназначается, чтобы впрыскивать, после того, как первый газ нагревается, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения первой газовой смеси, вторую газовую смесь низкоэнергетического газообразного топлива и высокоэнергетического газообразного топлива, причем данный инжектор впрыскивает низкоэнергетический и высокоэнергетический газ в таком соотношении и при такой скорости впрыскивания, которые выбираются таким образом, чтобы производить практически такое же соотношение низкоэнергетического и высокоэнергетического газа, как в первой газовой смеси, когда газ впрыскивается в реакционную камеру, причем данная реакционная камера предназначается, чтобы смешивать впрыскиваемый второй газ с нагретым газом, содержащим окислитель, при такой скорости, чтобы производить практически гомогенную первую газовую смесь в течение меньшего времени, чем продолжительность задержки воспламенения для второй газовой смеси, а также обеспечивать самовоспламенение первой газовой смеси и поддерживать температуру первой газовой смеси ниже температуры прекращения горения в то время, когда самовоспламеняющаяся первая газовая смесь окисляется.
Согласно определенным вариантам осуществления, тепловой контроллер включает теплообменник, который предназначается, чтобы повышать температуру смеси, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменник располагается внутри реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление первой газовой смеси внутри реакционной камеры без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление второй газовой смеси ниже температуры прекращения горения газовой смеси без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает, по меньшей мере, одно устройство, представляющее собой турбину или поршневой двигатель, которое предназначается, чтобы принимать газ из реакционной камеры и расширять газ. Согласно определенным вариантам осуществления, первая газовая смесь содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Подробные характеристики одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения представлены на сопровождающих чертежах и описании, приведенном ниже. Другие отличительные характеристики, задачи и преимущества настоящего изобретения становятся очевидными из данного описания и чертежей, а также из формулы изобретения. Как описано в настоящем документе, разнообразные варианты осуществления, которые представлены выше или описаны ниже, можно использовать совместно и в сочетании с другими вариантами осуществления, которые описываются или предлагаются в настоящем документе. Отдельное обсуждение различных вариантов осуществления не следует истолковывать, если четко не определены другие условия, как означающее, что данные варианты осуществления являются индивидуальными или непригодными для объединения, поскольку варианты осуществления, которые описывает один фрагмент, чертеж, раздел или параграф, могут быть объединены с другими вариантами осуществления, независимо от места их описания.
Краткое описание чертежей
Сопровождающие чертежи, которые представлены, чтобы обеспечивать более полное понимание, и включены в качестве неотъемлемой части настоящего описания, иллюстрируют описанные варианты осуществления и вместе с данным описанием служат для разъяснения принципов описанных вариантов осуществления.
Фиг. 1-1A представляет схематическое изображение традиционного сжигающего топливо или дополнительное топливо устройства системы для окисления в целях утилизации потоков отходов, содержащий летучие органические соединения.
Фиг. 1-1B представляет схематическое изображение традиционного каталитического устройства системы для окисления.
Фиг. 1-1C представляет схематическое изображение традиционного устройства системы для окисления, которое включает рекуператор.
Фиг. 1-1D представляет схематическое изображение традиционного регенеративного устройства системы для окисления.
Фиг. 1-2A представляет диаграмму энергии воспламенения воздушно-метановой смеси.
Фиг. 1-2B представляет диаграмму температуры реакций разнообразных процессов горения и окисления.
Фиг. 1-3 представляет диаграмму постепенного окисления предварительно приготовленной воздушно-топливной смеси согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-4A представляет диаграмму постепенного окисления топливной смеси при впрыскивании в предварительно нагретый воздух согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-4B представляет диаграмму процесса постепенного окисления, используемого для нагревания внешней текучей среды согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-4C представляет диаграмму многоступенчатого процесса постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-5 представляет блок-схему примерного процесса постепенного окисления предварительно приготовленной воздушно-топливной смеси согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-6 представляет блок-схему примерного процесса постепенного окисления топливной смеси, которая впрыскивается в предварительно нагретый воздух согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-7 представляет схематическое изображение примерной системы для окисления предварительно приготовленной смеси согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-8 представляет схематическое изображение примерной системы впрыскивания для постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-9 представляет схематическое изображение примерной приводимой в действие турбиной производящей электроэнергию системы согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-10 представляет схематическое изображение другой приводимой в действие турбиной производящей электроэнергию системы согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-11 представляет изображение в разрезе примерной реакционной камеры для постепенного окисления с непосредственным введением топлива или воздушно-топливной смеси согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-12 схематически представляет поток через систему для постепенного окисления, имеющую разбрызгиватель, согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-13 представляет схематическое изображение многоступенчатой реакционной камеры для постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-14 представляет схематическое изображение реакционной камеры с псевдоожиженным слоем для постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-15A представляет схематическое изображение реакционной камеры с рециркуляционным слоем для постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-15B представляет схематическое изображение другой реакционной камеры с рециркуляционным слоем для постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-16 представляет схематическое изображение реакционной камеры для постепенного окисления с рециркуляцией отработавшего газа согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 1-17A и 17B представляют реакционную камеру для постепенного окисления со структурными реакционными элементами согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-1 представляет схематическое изображение устройства для окисления, присоединенного к теплообменнику, чтобы обеспечивать технологическое нагревание для промышленного процесса согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-2 представляет схематическое изображение устройства для окисления, присоединенного к нагревательной камере для нагревания технологического материала согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-3 представляет схематическое изображение устройства для окисления, включающего внутренний теплообменник, через который проходит технологический газ согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-4 представляет схематическое изображение другого варианта осуществления устройства для окисления, включающего множество внутренних теплообменников, через которые проходит технологический газ согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-5 представляет схематическое изображение устройства для окисления, включающего множество зон постепенного окисления с прилегающими реакционными зонами, в котором нагреваются партии технологического материала согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-6 представляет схематическое изображение устройства для окисления, включающего множество зон постепенного окисления с прилегающими реакционными зонами, в которых нагреваются постоянные потоки технологического материала согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-7A и 2-7B представляют перспективное изображение и изображение поперечного сечения примерного подробной конструкции элемента устройства для окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-8 представляет график температур устройства для окисления на фиг. 2-7A и 2-7B согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 2-9 представляет перспективное изображение сборки устройства для окисления с использованием элемента устройства для окисления на фиг. 2-7A и 2-7B согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 3-1 представляет схематическое изображение примерного цикла Шнепеля (Schnepel) производящей электроэнергию системы согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 3-2 представляет концептуальное изображение производящей электроэнергию системы на фиг. 3-1 согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 3-3-3-10 представляют схематические изображения дополнительных вариантов осуществления цикла Шнепеля производящих электроэнергию систем согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 4-1 представляет трехступенчатое устройство системы для постепенного окисления с текучим теплоносителем согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 4-2 представляет другой вариант осуществления трехступенчатого устройства системы для постепенного окисления с текучим теплоносителем согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 4-3 представляет другой вариант осуществления одноступенчатой рекуперативной системы с текучим теплоносителем согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 4-4 представляет другой вариант осуществления двухступенчатой производящей пар системы водотрубного типа согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 4-5 представляет другой вариант осуществления двухступенчатой системы огнетрубного типа с текучим теплоносителем согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 4-6 схематически представляет поток через систему для постепенного окисления, которая производит пар и имеет разбрызгиватель согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 5-1 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления, включающей производство пара и дополнительное впрыскивание топлива согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 5-2 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления, включающей производство пара и комбинированное производство тепла и электроэнергии согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 5-3 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления, включающей двойные компрессоры с промежуточным охлаждением согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 5-4 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления, включающей пусковое устройство для постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 5-5 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления, включающей множество точек впрыскивания воды согласно определенным аспектам настоящего изобретения.
Фиг. 5-6 представляет диаграмму типичного содержания отработавших газов разнообразных систем.
Подробное описание
x
Следующее описание представляет варианты осуществления системы для окисления газа, который включает окисляемое топливо. Согласно определенным вариантам осуществления, система включает устройство для окисления, которое может своим действием постепенно окислять топливо при одновременном поддержании температуры внутри устройства для окисления ниже температуры прекращения горения, таким образом, что в значительной степени ограничивается образование нежелательных загрязняющих веществ, например, таких как оксиды азота (NO) и монооксид углерода (CO). Топливо желательно поступает в устройство для окисления на уровне или вблизи температуры самовоспламенения топлива. Система является особенно подходящей для использования низкоэнергетического топлива, такого как топливо с содержанием метана ниже 5%, в устойчивом процессе постепенного окисления, чтобы приводить в действие турбину, которая, в свою очередь, приводит в действие электрический генератор, а также приводит в действие компрессор системы.
В следующем подробном описании представлены многочисленные конкретные данные, чтобы обеспечить понимание настоящего изобретения. Однако для обычного специалиста в данной области техники должно быть очевидным, что варианты осуществления настоящего изобретения можно реализовать на практике и без каких-либо конкретных данных. В других случаях хорошо известные конструкции и технологии не были представлены подробно, таким образом, чтобы не загромождать описание.
Определенные варианты осуществления способов и систем, которые описаны в настоящем документе, представлены в отношении турбинной системы, которая приводит в действие электрический генератор с использованием низкоэнергетической текучей среды, такой как содержащий метан газ, в качестве первичного топлива и высокоэнергетической текучей среды, такие как природный газ или товарный пропан, в качестве вспомогательного топлива. Ни один факт в настоящем описании не следует истолковывать, если это не заявлено определенным образом, как ограничивающий применение каких-либо способов или систем, которые описаны в настоящем документе, конкретным первичным или вспомогательным топливом или турбинной системой данной конкретной конфигурации. Можно использовать и другие конфигурации турбинно-компрессорных систем, которые известны специалистам в данной области техники, а компоненты и принципы, описанные в настоящем документе, можно применять к этим другим системам.
Определенные варианты осуществления способов и систем, которые описаны в настоящем документе, представлены в отношении устройства для окисления, присоединенного к возвратно-поступательной поршневой системе, которая приводит в действие электрический генератор. Ни один факт в настоящем описании не следует истолковывать, если это не заявлено определенным образом, как ограничивающий применение каких-либо способов или систем, которые описаны в настоящем документе, по отношению к турбинной системе, такой как использование вспомогательного топлива, в течение части операции в применении к возвратно-поступательной поршневой системе или к сочетанию возвратно-поступательной поршневой и турбинной систем.
Определенные варианты осуществления способов и систем, которые описаны в настоящем документе, представлены в отношении интегрированного технологического оборудования, которое используется в процессе постепенного окисления, отдельно или совместно с существенными технологическими функциями. Ни один факт в настоящем описании не следует истолковывать, если это не заявлено определенным образом, как ограничивающий применение каких-либо способов или систем, которые описаны в настоящем документе, по отношению к турбинной системе или возвратно-поступательной поршневой системе, такой как использование вспомогательного топлива в течение части операции в применении к интегрированному технологическому оборудованию или сочетанию одной или нескольких возвратно-поступательных поршневых систем, турбинных систем и интегрированного технологического оборудования.
x
2
x
2
В тексте настоящего документа термин «NO» означает группу оксидов азота, которые включают оксид азота и диоксид азота (NO и NO). Существуют, по меньшей мере, три общепризнанных процесса, в которых образуются оксиды азота. «Термические оксиды азота» образуются, когда кислород и азот, присутствующие в используемом для горения воздухе, диссоциируют в высокотемпературной области зоны горения и после этого реагируют, образуя оксиды азота. «Быстрые оксиды азота» образуются вблизи фронта пламени, когда частицы топлива взаимодействуют с молекулярным азотом, образуя продукты, такие как HCN и N, которые затем окисляются, образуя NO. «Топливные оксиды азота» образуются из топлива, в состав которого входят соединения, содержащие азот, например, амины и цианосоединения, когда сгорает топливо, содержащее азот. Двухатомный азот (N) не рассматривается как связанный с топливом азот, который образует топливные оксиды азота.
В тексте настоящего документа термин «воспламеняющийся» означает характеристику материала, благодаря которой материал соединяется с кислородом в ходе экзотермической самоподдерживающейся или самораспространяющейся реакции, когда материал и кислород присутствуют в определенном интервале относительных количеств. Для этого может потребоваться инициирующий фактор, такой как искра или пламя, который инициирует экзотермическую реакцию.
В тексте настоящего документа термины «нижний предел воспламеняемости» (LFL), иногда называемый «нижний предел взрываемости», и «верхний предел воспламеняемости» (UFL), иногда называемый «высший предел воспламеняемости» или «верхний предел взрываемости», означают предельные объемные концентрации топлива, при которых может существовать пламя. Концентрации ниже LFL или выше UFL не допускают поддержание или распространение образующей пламя реакции.
В тексте настоящего документа термин «низкоэнергетическое топливо» (топливо LEC) означает газ, который включает воспламеняющийся газ в качестве вторичного компонента и инертный газ в качестве первичного компонента. Неограничительный пример низкоэнергетического топлива представляет собой содержащий метан газ, который выделяется на полигоне органических отходов или в другом месте захоронения отходов. Например, низкоэнергетический содержащий метан газ, как правило, содержит менее чем приблизительно 30% метана, но он может содержать лишь от 1 до 5% метана.
3
8
2
8
4
10
2
2
2
2
2
2
2
В тексте настоящего документа термин «высокоэнергетическое топливо» (топливо HEC) означает газ, который включает воспламеняющийся газ в качестве первичного компонента. Высокоэнергетическое топливо может содержать вторичные компоненты, которые естественным образом смешиваются с первичными компонентами, являются инертными или не могут быть отделены экономичным способом. Неограничительный пример высокоэнергетического топлива представляет собой «товарный пропан», состав которого изменяется в зависимости от места, но, как правило, содержит более чем 85% пропана (CH), а также допускается содержание вплоть до 10% пропилена, вплоть до 10% этана (CH), вплоть до 2,5% бутана (CH) и более тяжелых углеводородов, причем может содержаться приблизительно 0,01% пахучего вещества, как правило, этилмеркаптана. Второй неограничительный пример высокоэнергетического топлива представляет собой «природный газ», у которого типичный состав в неочищенном состоянии может содержать лишь 70% метана в сочетании с 20% или большим количеством этана, пропана и бутана, а также могут присутствовать в меньших количествах диоксид углерода (CO), кислород (O), азот (N) и сероводород (HS). Третий неограничительный пример представляет собой газ из органических отходов, содержащий более чем приблизительно 50% метана, а остальное составляют CO, N и небольшое количество O.
В тексте настоящего документа термин «окислитель» означает газ, который содержит достаточное количество кислорода, чтобы поддерживать горение или окисление воспламеняющегося топливо. Неограничительный пример окислителя представляет собой атмосферный воздух.
2
2
2
В тексте настоящего документа термин «разбавитель» означает, как правило, инертный газ. Неограничительные примеры разбавителя представляет собой товарные CO, N и HO. Разбавители могут присутствовать в окисляющих веществах или топливных реагентах.
В тексте настоящего документа термин «как правило, инертный» используется для обозначения материала или смеси, в которых не содержится в достаточном количестве воспламеняющийся материал или кислород, чтобы поддерживать горение или окисление при смешивании с кислородом или топливом, когда присутствует источник воспламенения.
В тексте настоящего документа термин «концентрация горючего вещества» означает количество воспламеняющегося материала, присутствующего в смеси, причем данная концентрация, как правило, выражается как соотношение воспламеняющегося материала в смеси и суммарного объема газа.
В тексте настоящего документа термин «ступенчатое окисление» означает процесс, в котором материал соединяется с кислородом в экзотермической реакции, в то время как материал остается ниже определенной температуры в течение всего процесса. Неограничительный пример такой определенной температуры составляет 2300°F (1260°C), причем в окислительных процессах, которые протекают ниже данной температуры, оксиды азота, как правило, не образуются в значительных количествах, что соответствует правилам и стандартам в отношении загрязнения воздуха.
В тексте настоящего документа термин «воздушно-топливная смесь» означает смесь горючего топлива и окислителя и предпочтительно газовую смесь, содержащую воздух. Воздушно-топливная смесь, как правило, считается гомогенной, если не определено другое условие. В определенных обстоятельствах низкоэнергетическое или высокоэнергетическое топливо смешивается с атмосферным воздухом, и образуется воздушно-топливная смесь. В определенных обстоятельствах низкоэнергетическое топливо может содержать в достаточных количествах кислород и топливо, чтобы считаться воздушно-топливной смесью, без введения дополнительного воздуха или топлива.
В тексте настоящего документа термин «самовоспламенение» означает самопроизвольное инициирование процесса окисления или горения в смеси, содержащей воспламеняющийся материал и окислитель. Температура самовоспламенения представляет собой минимальную температуру, при который процесс окисления или горения происходит при отсутствии источника воспламенения, и которая может зависеть от давления и/или концентраций кислорода и топлива в смеси.
2
2
В тексте настоящего документа термин «продолжительность задержки самовоспламенения» означает период времени, в течение которого смесь, находящаяся при температуре выше температуры самовоспламенения, окисляется и высвобождает основное количество своей экзотермической энергии. В качестве иллюстрации, метан имеет температуру самовоспламенения, составляющую приблизительно 1000°F (537,8°C). Если температура смеси метана и воздуха повышается до 1000°F (537,8°C), то в конечном счете происходит реакция с образованием HO и CO. Однако если такая же смесь нагревается до более высокой температуры, составляющей, например, 1200°F (648,9°C), то продолжительность задержки воспламенения может составлять две секунды. Если смесь нагревается до 1400°F (760°C), то задержка может составлять 100 миллисекунд. Продолжительность задержки самовоспламенения, как правило, экспоненциально уменьшается при повышении температуры и зависит от концентраций топлива и кислорода. Продолжительность задержки самовоспламенения может быть вычислена с помощью программного обеспечения для химической кинетики с использованием сложных кинетических механизмов, которые могут включать сотни реакций и десятки молекулярных и радикальных частиц.
В тексте настоящего документа термин «предварительное смешивание» означает смешивание воздуха и воспламеняющегося материала, такого как низкоэнергетическое или высокоэнергетическое топливо, в результате которого образуется, как правило, гомогенная воздушно-топливная смесь, перед введением смеси в камеру, в которой будет происходить окисление или горение.
В тексте настоящего документа термин «короткая продолжительность пребывания» определяется по отношению к устройству для горения, такому как традиционные двигатели внутреннего сгорания, камеры сгорания газовых турбин, возвратно-поступательный двигатели, горелки для бойлеров и т.д. В этих традиционных устройствах для горения процесс горения завершается в течение периода времени, который составляет, как правило, значительно менее чем одна секунда, как правило, менее чем 100 миллисекунд и даже менее чем 10 миллисекунд. Процесс, имеющий продолжительность пребывания, составляющую приблизительно одну секунду или превышающий одну секунду, обозначается термином «имеющий длительную продолжительность пребывания».
В тексте настоящего документа термин «летучие органические соединения» (VOC) означает органические соединения, которые переходят в газовую фазу, когда они находятся при температуре в интервале от 40 до 120°F (от 4,444 до 48,89°C), и могут соединяться с кислородом в экзотермической реакции. Примеры летучих органических соединений представляют собой, но не ограничиваются этим, ацетон, акролеин, акрилонитрил, аллиловый спирт, аллилхлорид, бензол, бутен-1, хлорбензол, 1,2-дихлорэтан, этан, этанол, этилакрилат, этилен, этилформиат, этилмеркаптан, метан, метилхлорид, метилэтилкетон, пропан, пропилен, толуол, триэтиламин, винилацетат и винилхлорид.
В тексте настоящего документа термин «максимальная температура реакции» означает максимальную температуру химической окислительной реакции, который включает теплоперенос или потерю или совершение работы. Например, если тепло отводится одновременно с протеканием реакции, максимальная температура реакции будет составлять менее чем адиабатическая температура реакции. Аналогичным образом, максимальная температура реакции может составлять более чем адиабатическая температура реакции, если подводится тепло.
В тексте настоящего документа термин «степень деформации пламени» или «деформация пламени» означает сочетание турбулентной деформации фронта пламени посредством растяжения или искривления, при котором тепло отводится от фронта пламени. Высокие степени деформации пламени могут создаваться со значительными слоями сдвига, и если степень деформации является достаточно высокой, пламя может погаснуть.
В тексте настоящего документа термин «адиабатическая температура реакции» означает температуру, которая получается в результате завершения химической окислительной реакции, которая происходит без какого-либо совершения работы, переноса тепла или изменения кинетической или потенциальной энергии. Эта величина иногда называется термином «адиабатическая температура реакции при постоянном объеме».
В тексте настоящего документа термин «температура прекращения горения» означает температуру, ниже которой пламя не распространяется в практически однородно приготовленной воздушно-топливной смеси. В некоторых случаях, в качестве примера, как представлено в настоящем документе, температура прекращения горения может быть эквивалентной нижнему пределу воспламеняемости при любой конкретной температуре воздушно-топливной смеси.
Ступенчатое окисление
Фиг. 1-2A представляет диаграмму энергии воспламенения для воздушно-метановой смеси. Смесь метана и воздуха воспламеняется в интервале, составляющем приблизительно от 5 до 15 об. % метана. Стехиометрическая смесь метана и воздух, т.е. смесь, содержащая ровно достаточное количество кислорода для соединения с метаном, содержит приблизительно 9,5 об. % метана. Фиг. 1-2A представляет, что для стехиометрической воздушно-метановой смеси 55 требуется минимальная энергия воспламенения, и что повышенная энергия требуется для воспламенения смеси, имеющей меньшее или большее содержание метана.
Фиг. 1-2B представляет температурную диаграмму реакций, включая разнообразные процессы горения и окисления, которые как представляет система 60. В зоне 1 горение должен распространять источник энергии. В случае текучего источника смеси, который является типичным в устройствах для горения, источник энергии для стабилизации горения должен быть относительно постоянным по отношению ко времени. Данный источник энергии, как правило, создается путем образования горячей местной области горячих продуктов горения в рециркуляционной зоне. Эти зоны образуются позади обтекателей или других геометрических конструкций (V-образные заслонки, угловые рециркуляционные зоны). Второй способ заключается в том, чтобы часть смеси образовывать вихри в достаточной степени, таким образом, что возникает «вихревой срыв», и рециркуляционная зона образуется внутри или позади вихревой смеси. Эти типы способов стабилизации пламени хорошо известны в технике горения. Горячая рециркуляционная зона служит в качестве постоянного источника воспламенения, который поддерживает предварительно приготовленную воздушно-топливную смесь в зоне 1 в состоянии постоянного горения.
В зоне 2 на фиг. 1-2B пламя, даже когда его инициирует искра или другой источник воспламенения, не будет распространяться через воздушно-топливную смесь. Однородная воздушно-топливная смесь является чрезмерно обедненной для горения. Один способ осуществления реакции предварительно приготовленной воздушно-топливной смеси в этой зоне заключается в том, чтобы снижать энергию активации реакции с помощью катализатора. Другой способ заключается в том, чтобы обеспечивать местно обогащенную смесь внутри камеры сгорания. В этом месте образуется повышенная концентрация горючего вещества, и, таким образом, температура реакции соответствует зоне 1. Эта обогащенная смесь горит, и пламя удерживается внутри камеры сгорания, однако распространение реакции в обедненные области внутри камеры сгорания не происходит посредством распространения пламени, и его требуется осуществлять с использованием технологий смешивания газов.
Зона 1 и зона 2 разделены линией, показывающей температуру прекращения горения в температурном интервале. Невозможно поддерживать пламя при концентрации предварительно смешанного топлива, которая приводит к адиабатической температуре реакции ниже этой линии. Более подробно, если горение предварительно приготовленной смеси начинается в зоне 1, и концентрация топлива медленно уменьшается, будет уменьшаться температура пламени, которая в данном случае представляет собой максимальную температуру реакции, которую показывает оси Y на фиг. 1-2. Когда температура достигает линии температуры прекращения горения, пламя гаснет.
Гомогенная воздушно-топливная смесь в зоне 3 на фиг. 1-2B самовоспламеняется и реагирует относительно быстро. Проблема этого квадранта «горения без пламени» заключается в том, чтобы однородно смешивать топливо и воздух и нагревать смесь до желательной температуры, прежде чем воздушно-топливная смесь воспламеняется. Например, если смешивать топливо и воздух при температуре ниже предела самовоспламенения, что обозначено точкой 62 в зоне 1, то любая незапланированная искра будет воспламенять смесь, в то время как в зоне 1 ничего не происходит. Кроме того, как только воздушно-топливная смесь полностью смешивается в точке 62, воздушно-топливная смесь нагревается до точки 64, например, с использованием теплообменника или другого способа нагревания.
2
2
2
Специалисты в области горения без пламени предотвращают проблему смешивания при низких температурах без горения посредством смешивания топлива с горячим воздухом в зоне 3. Чтобы предотвратить возникновение воспламенения перед достижением однородного смешивания, самовоспламенения задерживается посредством использования одной из двух технологий. Одна технология заключается в том, чтобы впрыскивать топливо в смесь воздуха и рециркулированного отработавшего газа. Отработавший газ содержит, по сравнению с воздухом, избыток CO и HO и уменьшенное количество кислорода. При уменьшении концентрации O самовоспламенение задерживается, и в результате этого обеспечивается, что смесь топлива со смесью воздуха и отработавшего газа, как правило, достигает однородного состава.
2
Вторая технология заключается в том, что создается «степень деформации пламени» или «деформация пламени», которая задерживает самовоспламенение. Деформированное пламя представляет собой пламя, которое возникает в высоко турбулентных потоках, содержащих слои значительного сдвига. Они создают турбулентно-химическое взаимодействие, которое задерживает реакцию, и, в предельных случаях, становится возможным гашение пламени. Чтобы осуществить деформацию пламени, топливо впрыскивается в турбулентный воздушный поток, например, в воздух, который выпускается из сопла при высокой скорости, и топливо впрыскивается в поток выходящего воздуха. Воздушно-топливная смесь, как правило, достигает гомогенного состава перед тем, как поток воздушно-топливной смеси становится нетурбулентным, и деформация пламени вызывает задержку самовоспламенения в течение этого периода смешивания. Оказывается возможным объединение двух технологий и впрыскивание топлива в струю окислителя, который представляет собой смесь воздуха и рециркулирующего отработавшего газа, и в результате этого задерживается самовоспламенение смеси окислителя и топлива посредством одновременного уменьшения концентрации O и деформации пламени, и благодаря этому достигается распространение реакции по всему объему камеры.
Один аспект структуры пламени в зоне 1 заключается в том, что окислительная реакция происходит в относительно узкой реакционной зоне, которая называется «фронт пламени». В этой области тепло от зоны после горения и химические радикалы из пламени диффундируют, молекулярно и турбулентно, в непрореагировавшие газы. В зоне 2 реакция происходит в области вблизи катализатора и называется термином «гетерогенное горение». Только в зонах 3 и 4 может осуществляться распределенная в объеме реакция вследствие инициирующей самовоспламенение реакции, в отличие от термической обратной связи от существующего пламени.
Зона 4 представляет собой область, в которой концентрация топлива является чрезмерно низкой, чтобы поддерживать пламя, т.е. она находится ниже линии температуры прекращения горения, причем эта область является достаточно горячей для самовоспламенения. Ступенчатое окисление является подходящим для окисления топлива в этой зоне. В отличие от зон 1-2, реакции в зоне 4 могут происходить относительно однородно во всем объеме реактора/камеры сгорания без четко определенного фронта пламени реакции.
Фиг. 1-3 представляет схематическое изображение примерного процесса постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Фиг. 1-3 представляет разнообразные области, пронумерованные 72, 74, 75, 76a, 76b и 78, поведения реакции горения для гомогенной воздушно-топливной смеси при постоянном давлении. Ордината представляет собой температуру воздушно-топливной смеси, и абсцисса представляет собой концентрацию топлива в воздушно-топливной смеси. Нижний предел воспламеняемости становится меньше, т.е. уменьшается концентрация горючего вещества, когда температура воздушно-топливной смеси увеличивается. Верхний предел воспламеняемости становится выше, т.е. повышается концентрация горючего вещества, когда температура увеличивается. Можно видеть, что расширяется интервал концентраций, в которых воспламеняется горючее вещество, когда температура увеличивается.
Зона 72 представляет собой область, в которой смесь не самовоспламеняется, но пламя распространяется через воздушно-топливную смесь после введения достаточного источника энергии. Обычная форма введения энергии представляет собой искру от свечи зажигания или воспламенителя, хотя можно использовать и другие устройства, такие как свеча накаливания или ионизированная плазма.
Зона 74 находится ниже нижнего предела воспламеняемости и ниже температуры самовоспламенения. В этой области пламя, даже если его инициирует искра, не будет распространяться через смесь.
Зона 76 разделяется на две зоны 76a и 76b в отношении времени для завершения реакции. Если искра происходит внутри зон 76a или 76b, пламя будет инициироваться и распространяться через воздушно-топливную смесь. Воздушно-топливная смесь в зонах 76a или 76b может также самовоспламеняться, потому что энергия, которая содержится воздушно-топливной смесью при этих температурах, превышает энергию активации воздушно-топливной смеси, как обсуждалось выше по отношению к фиг. 1-2B. Минимальная температура, при которой смесь будет самовоспламеняться при наличии достаточного времени, известна как температура самовоспламенения (AIT). Зону 76 ограничивает температура самовоспламенения и верхний предел воспламеняемости и нижний предел воспламеняемости, и любая смесь, имеющая концентрацию горючего вещества и температуру в пределах зоны 76b или 76a, будет самовоспламеняться. Горючие воздушно-топливные смеси в зоне 76a будут самовоспламеняться и реагировать в течение меньшего периода времени, чем короткая продолжительность пребывания. Воздушно-топливные смеси, имеющие концентрации горючего вещества и температуры в зоне 76b, также будут самовоспламеняться и реагировать, но они будут реагировать в течение периода времени, соответствующего большой продолжительности пребывания.
В зоне 78 искра или другой источник энергии не будет инициировать пламя, и пламя не будет распространяться через воздушно-топливную смесь. Оказывается возможным окисление топлива посредством самовоспламенения, если обеспечивается достаточное время для завершения окислительных реакций. Продолжительность этих реакций в зоне 78 соответствует большой продолжительности пребывания.
Зона 75 не является подходящей в большинстве устройств для горения. Пламя не может распространяться через воздушно-топливную смесь в зоне 75, поскольку ее состав является чрезмерно обогащенным топливом. Если окислительный процесс инициируется в той части зоны 75, которая находится выше температуры самовоспламенения, отсутствует достаточное количество воздуха для полного окисления топлива, и окислительный процесс будет самогасящимся, и образующееся в результате недогоревшее топливо будет выходить из устройства для горения.
Согласно определенным аспектам, процесс, начинающийся в точке 80, нагревает воздушно-топливную смесь до температуры выше температуры самовоспламенения воздушно-топливной смеси, обозначенной точкой 82. Реакционная камера, такая как реакционная камера 500 на фиг. 1-11, предназначается, чтобы окислять воздушно-топливную смесь и поддерживать адиабатическую температуру и максимальную температуру реакции в реакционной камере ниже температуры прекращения горения воздушно-топливной смеси, как обозначено штриховой линией, соединяющей точки 82 и 84, которая остается ниже нижнего предела воспламеняемости.
Фиг. 1-4 представляет диаграмму постепенного окисления топливной смеси, когда она впрыскивается в предварительно нагретый воздух согласно определенным аспектам настоящего изобретения. В данном процессе атмосферный воздух в точке 92 в зоне 74 нагревается разнообразными способами (теплообмен, сжатие) до точки 94 в зоне 78. Топливо, которое может представлять собой низкоэнергетическое топливо, разбавленное высокоэнергетическое топливо или смесь высокоэнергетического и низкоэнергетического топлива, затем вводится в горячий воздух, и в результате этого воздушно-топливная смесь перемещается из точки 94 в точку 96, которая находится в пределах зоны 76a на фиг. 1-3, и в которой воздушно-топливная смесь самовоспламеняется, и, поскольку точка 96 находится в пределах зоны 76a на фиг. 1-3, реакция горения происходит быстро, что соответствует короткой продолжительности пребывания. По мере развития процесса горения повышается температура воздушно-топливной смеси, в то время как концентрация горючего газа уменьшается, и процесс следует по стрелке от точки 96 к точке 98. Поскольку точка 98 находится выше температуры образования термических оксидов азота, в этом процессе производится большее количество оксидов азота, чем в процессе, который остается ниже температуры образования термических оксидов азота.
Однако если разбавитель, такой как рециркулирующий отработавший газ, добавляется в воздух, уменьшается содержание кислорода в образующейся смеси воздуха и разбавителя. Использование горячего рециркулирующего отработавшего газа может также способствовать нагреванию воздуха от точки 92 до точки 94. Добавление разбавителя в воздух, а также использование технологии смешивания с деформацией пламени для смешивания топлива со смесью воздуха и разбавителя, перемещает верхний и нижний пределы воспламеняемости к новым линиям, обозначенным как «верхний предел воспламеняемости (воздух + разбавитель + деформация)» и «нижний предел воспламеняемости (воздух + разбавитель + деформация)», как представлено на фиг. 1-4A.
В случае добавления разбавителя и использования технологии смешивания с деформацией пламени точка 96 больше не находится в зоне 76a, но оказывается в зоне 76b, где реакционный процесс задерживается в большей степени, чем в зоне 76a. Разбавители в составе смеси уменьшают повышение температуры таким образом, что процесс следует по стрелке от точки 96 до точки 99 и остается ниже температуры образования термических оксидов азота. Таким образом, при использовании разбавителя может уменьшаться количество оксидов азота, образующихся в процессе горения/окисления.
Согласно определенным аспектам, процесс, начинающийся в точке 92, нагревает воздух до температуры, обозначенной точкой 82, выше температуры самовоспламенения целевой воздушно-топливной смеси. Топливо затем впрыскивается в горячий воздух, перемещая воздушно-топливную смесь в точку 97. Реакционная камера, такая как реакционная камера 500 на фиг. 1-11, предназначается, чтобы окислять воздушно-топливную смесь и поддерживать адиабатическую температуру внутри реакционной камеры выше температуры прекращения горения смеси и максимальную температуру реакции внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения смеси, как обозначено штриховой линии, которая соединяет точки 97 и 98, быстро перемещаясь ниже нижнего предела воспламеняемости.
Фиг. 1-4B представляет диаграмму 120 процесса постепенного окисления, используемого для нагревания внешней текучей среды согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Атмосферный воздух в точке 92 нагревается до точки 94, в которой топливо впрыскивается в предварительно нагретый воздух, перемещая воздушно-топливную смесь в точку 96. Поскольку воздушно-топливная смесь находится выше температуры самовоспламенения, ступенчатое окисление будет начинаться, и в то же самое время воздушно-топливная смесь переносит тепло к внешней текучей среде, например, через паровой змеевик 5220 на фиг. 5-3, таким образом, что температура воздушно-топливной смеси уменьшается, в то время как концентрация топлива также снижается до точки 122. Воздушно-топливная смесь затем перемещается от внешней текучей среды и продолжает постепенно окисляться без потери тепла во внешнюю текучую среду, таким образом, что температура воздушно-топливной смеси увеличивается, в то время как концентрация топлива продолжает уменьшаться, и в результате этого происходит перемещение в точку 124, где топливо полностью расходуется.
Фиг. 1-4C представляет диаграмму 130 многоступенчатого процесса постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Имеющая температуру окружающей среды воздушно-топливная смесь в точке 132 нагревается до точки 134, которая находится выше температуры самовоспламенения, таким образом, что инициируется ступенчатое окисление, и воздушно-топливная смесь перемещается в точку 136, где топливо полностью расходуется. Горячая смесь воздуха и разбавителя пропускается через теплообменник, тепло отводится, и в результате этого смесь воздуха и разбавителя перемещается в точку 138. Дополнительное топливо впрыскивается в смесь воздуха и разбавителя, и в результате этого смесь перемещается в точку 140. Процесс постепенного окисления инициируется, когда смесь остается выше температуры самовоспламенения, и процесс перемещается вдоль линии в точку 142, где топливо снова полностью расходуется. Можно видеть, что горячая смесь воздуха и разбавителя может снова циркулировать через теплообменник, как раньше, и цикл из точек 142-138-140 повторяется несколько раз, до тех пор пока не израсходуется весь кислород в смеси, и при этом максимальная температура реакции все время остается ниже температуры образования термических оксидов азота.
Фиг. 1-5 и 1-6 представляют блок-схемы примерных процессов постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Фиг. 1-5 описывает процесс предварительного смешивания 100, в котором окислитель, разбавитель и низкоэнергетическое и высокоэнергетическое топливо смешиваются, а затем нагреваются до температуры самовоспламенения, и в результате этого инициируется ступенчатое окисление топлива. Конкретный вариант осуществления процесса на фиг. 1-5 может включать только некоторые из описанных стадий, или в него могут быть включены такие стадии в иной последовательности, чем последовательность, проиллюстрированная на фиг. 1-5. В качестве примера, наиболее полный процесс начинается на стадии 102, причем на стадии 102 поступает низкоэнергетическое топливо, например, газ из органических отходов.
Окислитель, например, воздух, добавляется в низкоэнергетическое топливо на стадии 104. Согласно некоторым аспектам, добавляемое количество окислителя зависит от концентрации горючего газа в низкоэнергетическом топливе, таким образом, что достигается целевая концентрация горючего газа в образующейся смеси окислителя и низкоэнергетического топлива. Согласно некоторым аспектам, добавляемое количество окислителя зависит от концентрации кислорода в низкоэнергетическом топливе, таким образом, что достигается минимальная концентрация кислорода в образующейся смеси окислителя и низкоэнергетического топлива. Согласно некоторым аспектам, концентрация горючего газа и/или кислорода в низкоэнергетическом топливе, по меньшей мере, периодически измеряется, и количество окислителя, которое добавляется на стадии 104, регулируется в зависимости от результатов этого измерения.
Высокоэнергетическое топливо можно необязательно добавлять на стадии 106. Согласно некоторым аспектам, добавляемое количество высокоэнергетического топлива зависит от концентрации горючего газа в смеси окислителя и низкоэнергетического топлива, таким образом, что достигается целевая концентрация горючего газа в образующейся смеси окислителя, низкоэнергетического топлива и высокоэнергетического топлива. Согласно некоторым аспектам, концентрация горючего газа в смеси окислителя и низкоэнергетического топлива, по меньшей мере, периодически измеряется, и количество высокоэнергетического топлива, которое добавляется на стадии 106, регулируется в зависимости от результатов этого измерения.
На стадии 108 разбавитель, такой как рециркулирующий отработавший газ, добавляется в смесь окислителя и топлива. Согласно определенным аспектам, количество разбавителя регулируется для достижения целевой концентрации горючего газа в образующейся смеси окислителя, топлива и разбавителя. Согласно определенным аспектам, рециркулирующий отработавший газ также добавляет тепло в смесь окислителя и топлива, и в результате этого уменьшается количество тепла, которое будет вводиться впоследствии на стадии 112. Согласно некоторым аспектам, концентрация горючего газа в смеси окислителя и топлива, по меньшей мере, периодически измеряется, и количество разбавителя, которое добавляется на стадии 108, регулируется в зависимости от результатов этого измерения. Окислитель, низкоэнергетическое и высокоэнергетическое топливо и разбавитель смешиваются на стадии 110, образуя, как правило, гомогенную смесь. Согласно определенным аспектам, смешивание происходит постепенно после одной или нескольких из стадий 104, 106 и 108. Гомогенная смесь окислителя, топлива и разбавителя нагревается на стадии 112 до тех пор, пока температура смеси не достигает, по меньшей мере, температуры самовоспламенения смеси. Смесь окислителя, топлива и разбавителя самовоспламеняется на стадии 114 и постепенно окисляется на стадии 116 до тех пор, пока топливо и кислород в смеси не перестают реагировать, и, таким образом, процесс 100 завершается.
Фиг. 1-6 описывает процесс 150 впрыскивания топлива, в котором окислитель или разбавитель смешиваются, а затем нагреваются до температуры самовоспламенения, причем смесь низкоэнергетического и высокоэнергетического топлива впрыскивается в смесь окислителя и разбавителя и перемешивается. Конкретный вариант осуществления процесса на фиг. 1-6 может включать только некоторые из описанных стадий, или в него могут быть включены такие стадии в иной последовательности, чем последовательность, проиллюстрированная на фиг. 1-6. В качестве примера, наиболее полный процесс начинается на стадии 104a, на которой вводится окислитель. Разбавитель добавляется в окислитель на стадии 108 и смешивается на стадии 110a, а затем нагревается на стадии 112, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения целевой смесь окислителя, разбавителя и топлива. Согласно некоторым аспектам, добавляемое количество разбавителя зависит от концентрации кислорода в окислителе, таким образом, что достигается целевая концентрация кислорода в образующейся смеси окислителя и разбавителя. Согласно определенным аспектам, когда разбавитель представляет собой рециркулирующий отработавший газ, этот рециркулирующий отработавший газ также добавляет тепло в окислитель, и в результате этого уменьшается количество тепла, которое будет добавляться впоследствии на стадии 112.
В параллельном процессе низкоэнергетическое топливо вводится на стадии 102, и высокоэнергетическое топливо добавляется на стадии 106, а затем смешивается на стадии 110b. Согласно некоторым аспектам, добавляемое количество высокоэнергетического топлива зависит от концентрации горючего газа в низкоэнергетическом топливе, таким образом, что достигается целевая концентрация горючего газа в образующейся смеси низкоэнергетического и высокоэнергетического топлива. Согласно некоторым аспектам, концентрация горючего газа в низкоэнергетическом топливе, по меньшей мере, периодически измеряется, и количество высокоэнергетического топлива, которое добавляется на стадии 106, регулируется в зависимости от результатов этого измерения.
Смесь низкоэнергетического и высокоэнергетического топлива впрыскивается в горячую смесь окислителя и разбавителя на стадии 152 и смешивается на стадии 110c. Согласно определенным аспектам, смешивание на стадии 110c включает введение смеси окислителя и разбавителя в окислительную камеру посредством создающей турбулентность струи, и топливная смесь впрыскивается в турбулентный поток смеси окислителя и разбавителя. Смесь окислителя и разбавителя и топливная смесь быстро смешиваются в турбулентном потоке на стадии 110c, а затем осуществляются самовоспламенение на стадии 114 и ступенчатое окисление на стадии 116 до тех пор, пока топливо и кислород в смеси перестают реагировать, и, таким образом, процесс 150 завершается.
Фиг. 1-7 представляет схематическое изображение примерной системы для окисления предварительно приготовленной смеси 200 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. В данном примере низкоэнергетическое топливо поступает из органических отходов 202 через газосборную трубопроводную систему 204 и используется как поток низкоэнергетического топлива 206a. Согласно определенным аспектам, например, если содержание метана в потоке низкоэнергетического топлива 206a составляет менее чем определенное процентное соотношение, высокоэнергетическое топливо 210 добавляется в смеситель 208a, производящий смесь низкоэнергетического и высокоэнергетического топлива 206b. Согласно определенным аспектам, например, если содержание кислорода в смеси низкоэнергетического и высокоэнергетического топлива 206b составляет менее чем определенное процентное соотношение, окислитель 212, например, воздух, добавляется в смеситель 208b, производящий смесь окислителя и топлива 206c. Согласно определенным аспектам, например, если содержание кислорода в смеси окислителя и топлива 206c составляет более чем определенное процентное соотношение, разбавитель 214, например, рециркулирующий отработавший газ, добавляется в смеситель 208c, производящий смесь окислителя, разбавителя и топлива 206d. Согласно определенным аспектам, смеситель 220 предусматривается, чтобы дополнительно перемешивать смесь окислителя, разбавителя и топлива 206d, и в результате этого производится гомогенизированная смесь окислителя, разбавителя и топлива 206e. Согласно определенным аспектам, компрессор или нагнетательный вентилятор 222 предусматривается, чтобы нагнетать и нагревать гомогенизированную смесь окислителя, разбавителя и топлива 206e, и в результате этого производится сжатая гомогенизированная смесь окислителя, разбавителя и топлива 206f, которая вводится в устройство для окисления 224. После того, как процесс постепенного окисления завершается, отходящий газ 226 выходит из устройства для окисления 224. Согласно определенным аспектам, часть отходящего газа 226 захватывается, образуя разбавитель 214. Оставшийся отходящий газ 226 направляется в другие системы или выпускается в атмосферу.
Фиг. 1-8 представляет схематическое изображение примерной впрыскивающей системы для окисления 300 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 300 являются такими же, как элементы системы 200, которая обсуждается выше, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 1-8. В системе 300, окислитель 212 сжимается и нагревается отдельно посредством компрессора или нагнетательного вентилятора 222a, и образующийся сжатый окислитель 304 направляется в устройство для окисления 224. Согласно определенным аспектам, разбавитель (не представленный на фиг. 1-8) добавляется в окислитель 212 перед компрессором 222a. Отдельно смесь низкоэнергетического и высокоэнергетического топлива 206b сжимается и нагревается посредством отдельного компрессора или нагнетательного вентилятора 222b, и производится сжатая топливная смесь 302, которая впрыскивается в сжатую смесь окислителя и разбавителя 304 внутри устройства для окисления 224. Способы впрыскивания топливной смеси 302 в смесь окислителя и разбавителя 304 внутри устройства для окисления обсуждаются по отношению к следующим чертежам.
Фиг. 1-9 представляет схематическое изображение примерной приводимой в действие турбиной производящей электроэнергию системы согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 400 являются такими же, как элементы обсуждаемых выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 1-9. В системе 400 смесь окислителя, разбавителя и топлива 206d поступает во впуск компрессора 410, к которому присоединяется вал 412, к которому также присоединяются турбина 414 и электрический генератор 416. Сжатая смесь окислителя, разбавителя и топлива 206f из компрессора 410 пропускается через теплообменник 418, в котором смесь 206f поглощает тепло отработавшего газа 420. Нагретая смесь 206g поступает в устройство для окисления 224. Отработавший газ 226 поступает в турбину 414, которая отбирает часть энергии горячего сжатого отработавшего газа 226, и в результате которого приводятся в действие компрессор 410 и генератор 416 посредством вала 412. Согласно определенным аспектам, часть отработавшего газа из турбины отделяется, образуя разбавитель 214, а оставшийся отработавший газ 420 проходит через вышеупомянутый теплообменник 418, а затем через второй теплообменник 422, в котором отработавший газ дополнительно охлаждается потоком воды 430 перед тем, как он выпускается в окружающую среду. Нагретую воду 430 после пропускания через теплообменник 422 можно использовать для полезных целей, таких как горячее водоснабжение, отопление зданий или другие приложения.
Фиг. 1-10 представляет схематическое изображение другой приводимой в действие турбиной производящей электроэнергию системы согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 450 являются такими же, как элементы обсуждаемых выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 1-10. Система 450 включает нагревательную камеру сгорания 454 и турбинную камеру сгорания 456, которые расположены, соответственно, до и после устройства для окисления 224. Высокоэнергетическое топливо 452 селективно поступают в каждую камеру из нагревательной камеры сгорания 454 и турбинной камеры сгорания 456. Способ использования этих камер сгорания 454, 456 для инициирования работы турбины, приводимой в действие устройством для окисления, описан в вышеупомянутой патентной заявке США №13/289996.
Фиг. 1-11 представляет изображение в разрезе примерной реакционной камеры для постепенного окисления 500 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Реакционная камера для постепенного окисления 500 содержит резервуар 510, который, согласно определенным аспектам, предназначается, чтобы выдерживать сжатый внутренний газ. В данном примере башня 514 располагается вдоль центральной оси резервуара 510 и предназначается, чтобы принимать на внешний стороне поток смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 через впуск 515. Множество распределительных труб 516 присоединяются к башне 514 таким образом, что смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 проходит из башни в распределительные трубы 516. Каждая из распределительных труб 516 включает множество инжекционных отверстий (не представлены на фиг. 1-11), которые позволяют пропускать смесь 530 из внутреннего пространства распределительных труб 516 во внутреннее пространство резервуара 510. Внутреннее пространство резервуара, по меньшей мере, частично заполняет пористая среда 512. Эта среда 512 абсорбирует тепло из процесса постепенного окисления и затем высвобождает это тепло в непрореагировавшую смесь 530, и в результате этого температура непрореагировавшей смеси 530 увеличивается выше температуры самовоспламенения. Кроме того, пористая среда 512 своим действием обеспечивает смешивание продуктов окисления от предшествующих стадий с непрореагировавшей смесью окислителя, разбавителя и топлива, которая впрыскивается через трубы 516.
Согласно определенным аспектам, реакционная камера для постепенного окисления 500 включает один или несколько вторичных впусков 518 через которые окислитель, топливо или их смесь можно впрыскивать непосредственно во внутреннее пространство резервуара 510. Согласно определенным аспектам, реакционная камера для постепенного окисления 500 включает один или несколько нагревателей 522, которые можно использовать для нагревания пористой среды 512. Согласно определенным аспектам, реакционная камера для постепенного окисления 500 включает один или несколько датчиков 524, которые предназначаются, чтобы измерять один или несколько параметров, представляющих собой температуру, содержание кислорода или содержание топливо в газах в одной или нескольких точках в объеме резервуара 510.
Согласно определенным аспектам, реакционная камера для постепенного окисления 500 содержит датчик 524, который включает чувствительный к температуре элемент и передает сигнал, который представляет собой температуру внутри реакционной камеры 500. Согласно определенным аспектам, реакционная камера для постепенного окисления 500 содержит датчик 525, который включает чувствительный к температуре элемент и передает сигнал, который представляет собой температуру смеси окислителя, разбавителя и топлива 530. Согласно определенным вариантам осуществления, сигналы от температурных датчиков 524 и 525 принимает контроллер 529, который передает сигнал 532 для уменьшения температуры внутри реакционной камеры 500, когда температура внутри реакционной камеры 500 достигает температуры прекращения горения, таким образом, что температура остается ниже температуры прекращения горения. Согласно определенным вариантам осуществления, регулирование температуры внутри реакционной камеры 500 осуществляется посредством регулирования одного или нескольких параметров, представляющих собой поток смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, состав смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, температура смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, поток вспомогательной воздушно-топливной смеси 540, состав вспомогательной воздушно-топливной смеси 540, температуру вспомогательной воздушно-топливной смеси 540, поток отработавшего газа через выпуск 520, поток хладагента через внутренний теплообменник, такой как теплообменник, представленный на фиг. 2-3 (не представленный на фиг. 1-11), или поток негорючей текучей среды, которая вводится в реакционную камеру 500 через инжекторную подсистему (не представленную на фиг. 1-11). Согласно определенным аспектам, сигнал 532 поступает в управляющий модуль 531, который предназначается, чтобы регулировать, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой скорость потока, состав и температуру смеси окислителя, разбавителя и топлива 530.
Согласно определенным аспектам, детекторный модуль 527 предназначается, чтобы обнаруживать, когда происходит, по меньшей мере, одно из следующих событий: температура реакции внутри реакционной камеры 500, например, температура на датчике 524, приближается или превышает температуру прекращения горения смеси окислителя, разбавителя и топлива внутри реакционной камеры 500, и температура на впуске реакционной камеры, т.е. температура смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 на датчике 525, приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения.
Согласно определенным аспектам, контроллер 529 включает коррекционный модуль 528, который передает инструкции, на основании детекторного модуля 527, чтобы изменять, по меньшей мере, одно из следующих условий: отвод тепла из реакционной камеры и температура смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 на впуске башни 514 внутри реакционной камеры 500. Согласно определенным аспектам, коррекционный модуль 528 предназначается, чтобы поддерживать фактическую температуру в пределах от температуры реакции, например, на датчике 524, до температуры ниже температуры прекращения горения, и/или поддерживать температуру на впуске выше порога самовоспламенения топлива. Согласно определенным аспектам, контроллер 529 предназначается, чтобы поддерживать температуру смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 на впуске в башню 514 выше порога самовоспламенения, таким образом, что газ внутри реакционной камеры 500 окисляется без катализатора. Согласно определенным аспектам, контроллер 529 предназначается, чтобы определять, по меньшей мере, одно из следующих событий: уменьшение температуры внутри реакционной камеры, которая остается ниже температуры прекращения горения, и увеличение температуры смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 на впуске в башню 514, чтобы поддерживать температуру смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 выше порога самовоспламенения.
Согласно определенным аспектам, контроллер 529 предназначается для того, чтобы, когда температура смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 на впуске в башню 514 приближается или уменьшается ниже порога самовоспламенения смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, контроллер 529 передает сигнал 532, чтобы обеспечивать передачу дополнительного тепла смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, таким образом, что температура смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 на впуске в башню 514 поддерживается выше порога самовоспламенения, и реакционная камера 500 поддерживает окисление топлива внутри реакционной камеры 500 без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, коррекционный модуль 528 передает инструкции, на основании детекторного модуля 527, чтобы изменять продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры, например, посредством уменьшения потока смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, и/или изменять продолжительность задержки самовоспламенения, например, посредством регулирования состав смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 или увеличения температуры внутри реакционной камеры 500 с помощью нагревателя 522, внутри реакционной камеры в достаточной степени, чтобы осуществлялось самовоспламенение и окисление смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 в то время, когда она находится внутри реакционной камеры 500.
Согласно определенным аспектам, детекторный модуль 527 предназначается, чтобы обнаруживать, когда температура газа на впуске реакционной камеры приближается или уменьшается ниже уровня таким образом, что реакционная камера самостоятельно не поддерживает окисление топлива и коррекционный модуль 528 предназначается, чтобы изменять, на основании детекторного модуля 527, продолжительность пребывания газа внутри реакционной камеры и/или продолжительность задержки самовоспламенения внутри реакционной камеры, достаточная для самовоспламенения и окисления газа во время пребывания внутри реакционной камеры 500.
Согласно некоторым вариантам осуществления, температура топлива или газовой смеси внутри реакционной камеры может составлять более чем нижний предел воспламеняемости или температура прекращения горения. В этих случаях, например, когда смешивается высокоэнергетическое газообразное топливо в реакционной камере, может существовать период времени, в течение которого смесь проходит через область воспламеняемости, которая находится ниже верхнего предела воспламеняемости и выше нижний предел воспламеняемости. Хотя в некоторых случаях продолжительность пребывания в пределах данной области может не быть желательной, продолжительность пребывания смеси в пределах данной области может уменьшаться посредством изменения температуры смеси или изменения потока смеси. В некоторых случаях тепло можно отводить из реакционной камеры для уменьшения температуры смеси, чтобы она была ниже нижнего предела воспламеняемости или температуры прекращения горения, таким образом, что продолжительность пребывания смеси в пределах области воспламеняемости составляет менее чем продолжительность задержки самовоспламенения. В некоторых случаях скорость потока смеси через реакционную камеру может увеличиваться для уменьшения продолжительности пребывания смеси внутри реакционной камеры; эта уменьшенная продолжительность пребывания смеси внутри реакционной камеры может равняться уменьшенной продолжительность пребывания смеси, на которую воздействуют температуры внутри реакционной камеры, которые находятся в пределах области воспламеняемости, и может оказаться приемлемой, если продолжительность пребывания составляет менее чем продолжительность задержки самовоспламенения. В некоторых случаях тепло может вводиться в смесь таким образом, что реакция временно перемещается в область воспламеняемости на короткий период времени по сравнению с продолжительностью задержки самовоспламенения.
В некоторых случаях, по меньшей мере, один из параметров, представляющих собой температуру или поток смеси через реакционную камеру, можно регулировать таким образом, что продолжительность пребывания топлива в пределах области воспламеняемости составляет менее чем 5% продолжительности задержки самовоспламенения. В некоторых случаях продолжительность пребывания топлива в пределах области воспламеняемости может составлять от приблизительно 5% до приблизительно 10% продолжительности задержки самовоспламенения. В некоторых случаях продолжительность пребывания топлива в пределах области воспламеняемости может составлять от приблизительно 10% до приблизительно 20% продолжительности задержки самовоспламенения. В некоторых случаях продолжительность пребывания топлива в пределах области воспламеняемости может составлять от приблизительно 15% до приблизительно 25% продолжительности задержки самовоспламенения. В некоторых случаях продолжительность пребывания топлива в пределах области воспламеняемости может составлять от приблизительно 25% до приблизительно 50% продолжительности задержки самовоспламенения. В некоторых случаях продолжительность пребывания топлива в пределах области воспламеняемости может составлять от приблизительно 30% до приблизительно 75% продолжительности задержки самовоспламенения.
Согласно определенным аспектам, управляющий модуль 531 предназначается, чтобы повышать температуру смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 вблизи или до впуска 515 до уровня или выше температуры самовоспламенения смеси окислителя, разбавителя и топлива 530. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера 500 предназначается, чтобы окислять смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 и поддерживать адиабатическую температуру выше температуры самовоспламенения смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 и поддерживать максимальную фактическую температуру реакционной камеры 500 ниже температуры прекращения горения смеси окислителя, разбавителя и топлива 530.
Согласно определенным аспектам, устройство для окисления 500 предназначается, чтобы производить смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 посредством смешивания в системе, которая не представлена на фиг. 1-11, газа, содержащего низкоэнергетическое топливо, с одним или несколькими газами из группы, которую составляют газ, содержащий высокоэнергетическое топливо, газ, содержащий окислитель, и газ, содержащий разбавитель, в то время как все из этих газов присутствуют при температурах ниже температуры самовоспламенения любого из газов, которые содержатся в смеси. Кроме того, устройство для окисления 500 предназначается, чтобы увеличивать температуру смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 и выдерживать смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 до самовоспламенения, а затем поддерживать температуры смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 ниже температуры прекращения горения в то время, когда самовоспламеняющаяся смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 окисляется.
Согласно определенным аспектам, пористая среда 512 внутри устройства для окисления 500 предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры ниже температуры прекращения горения и поддерживать температуру на впуске реакционной камеры топлива на более высоком уровне, чем температура самовоспламенения топлива. Согласно определенным аспектам, по меньшей мере, один путь течения от впуска до выпуска устройства для окисления 500 предназначается, чтобы направлять смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 через часть пористой среды 512, которая имеет более высокую температуру, чем температура самовоспламенения смеси окислителя, разбавителя и топлива 530 до тех пор, пока смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 не достигает температуры выше температуры самовоспламенения смеси окислителя, разбавителя и топлива 530, причем данный путь течения также предназначается, чтобы направлять окисление смесь окислителя, разбавителя и топлива 530 к выпуску вдоль пути, который, как правило, является противоположным первому пути течения, например, с использование внутренних перегородок, таких как трубки 1055/1060, представленные на фиг. 2-7B.
Согласно некоторым вариантам осуществления, контроллер 529 может управлять и другими частями системы для окисления. Например, другие регулирующие устройства, которыми может управлять контроллер 529, описывают совместно рассматриваемые патентные заявки США №13/289989, поданная 04 ноября 2011 г., и №13/289996, поданная 04 ноября 2011 г., причем обе эти заявки включаются в настоящий документ посредством ссылки во всей своей полноте в такой степени, насколько описания этих заявок не противоречат содержанию настоящего описания.
Фиг. 1-12 схематически представляет поток через систему для постепенного окисления 4500, которая содержит разбрызгиватель, согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Процессы и элементы на фиг. 1-12 описаны по отношению к устройству для окисления 500 на фиг. 1-11. Следующие процессы происходят, когда воздух 4502 и топливо 4220 проходят через устройство для окисления:
1. Воздушно-топливный смеситель 4510 производит начальную обедненную воздушно-топливную смесь, используя один или оба источника, представляющие собой воздух 4502 и топливо 4220.
2. Нагреватель 4512 нагревает воздушно-топливную смесь до температуры, близкой к температуре самовоспламенения. Тепло может также вводиться посредством сжатия смеси, а также теплообмена. Согласно некоторым вариантам осуществления, тепло может поступать посредством введения нагретого газа (например, отработавшего газа).
2
2
2
3. Устройство для постепенного окисления первой стадии, в состав которого может входить нагреватель 522 (фиг. 1-11) или нагреватель 4516 (фиг. 1-12), например, пусковая горелка, чтобы инициировать ступенчатое окисление 4518. Согласно определенным аспектам, данный нагреватель представляет собой электрический нагреватель разнообразных типов, которые известны специалистам в данной области техники. В результате этого получается горячий газ, содержащий неизрасходованный O и продукты окисления (CO и HO). Поскольку часть топлива и воздуха, которая поступает в это первое устройство для окисления 4518, является небольшой, требуется меньше тепла, чтобы нагревать смесь выше температуры самовоспламенения и инициировать окислительную реакцию. Согласно определенным аспектам, тепло вводится на первой стадии посредством предварительного нагревания пористой среды с помощью начальной камеры сгорания, установленной выше по потоку. Предварительно нагретая среда затем нагревает воздушно-топливную смесь в нагревателе 4516, чтобы начиналось окисление. Поскольку только небольшая часть потока проходит через нагретую среду в нагревателе 4516, тепловое состоянии и излучение энергии в противоположном потоку направлении способно поддерживать достаточно высокую температуру среды, чтобы продолжать нагревание потока. Эта стадия поддерживает реакцию.
4. Стадия окисления разделенной смеси 4530, которая, например, происходит в опоре 516 разбрызгивателя 514 на фиг. 1-11, и на которой часть воздушно-топливной смеси отделяется, смешивается с горячим газом от предшествующего процесса и постепенно окисляется, что представляют собой процессы 4514, 4520 и 4518. Поскольку предварительно окисленные газы из устройства для окисления 4518 имеют высокую температуру, составляющую, как правило, выше 1400°F (760°C), но ниже 2300°F (1260°C), они служат для нагревания непрореагировавшего топлива и воздуха из разделителя 4514 в смесителе 4520 и инициируют окисление на этой следующей стадии окисления.
5. Повтор стадии 4530 для окисления всего топлива из источника низкоэнергетического топлива 4220 таким образом, что никакое топливо не остается после заключительного устройства для окисления 4518. Постадийный подход к началу окислительного процесса на поддерживающей первой стадии и последующее частичное окисление газа представляют собой процесс постепенного окисления.
Фиг. 1-13 представляет схематическое изображение многоступенчатой реакционной камеры для постепенного окисления 600 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. В данном примере камера 600 включает четыре реакционные камеры 602a, 602b, 602c и 602d, которые последовательно соединяются друг с другом. В данном примере поток воздушно-топливной смеси 604, например, низкоэнергетическое топливо, поступает в каждую из четырех реакционных камер 602a, 602b, 602c и 602d. Согласно определенным аспектам, количества воздушно-топливной смеси 604, которые поступают в каждую из реакционных камер 602a, 602b, 602c и 602d, являются различными. Согласно определенным аспектам, одна или несколько различных воздушно-топливных смесей (не представленных на фиг. 1-12) поступают в находящиеся ниже по потоку реакционные камеры 602b, 602c и 602d. Согласно определенным аспектам, окислитель (не представленный на фиг. 1-13) отдельно поступает в одну или несколько находящихся ниже по потоку реакционных камер 602b, 602c и 602d. Согласно определенным аспектам, высокоэнергетическое топливо (не представленное на фиг. 1-13) отдельно поступает в одну или несколько реакционных камер 602a, 602b, 602c и 602d.
Фиг. 1-14 представляет схематическое изображение реакционной камеры с псевдоожиженным слоем для постепенного окисления 700 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. В данном примере, реакционная камера 700 включает резервуар 710, который, по меньшей мере, частично заполняет среда 720, которая, когда газ вводится в нижнюю часть среды 720, становится псевдоожиженной. Смесь воздуха, топлива и разбавителя 604 постепенно окисляется, когда смесь 604 проходит через псевдоожиженную среду 720 и отводится вверх как отработавший газ 226. Псевдоожиженная среда циркулирует внутри резервуара 710, перенося тепло от выходящих продуктов окисления к поступающим реагентам. Псевдоожиженные частицы 720 вблизи выпускного конца резервуара 710 (ближе к отработавшему газу 226) нагреваются горячими продуктами окисления. Псевдоожиженная среда затем переносится, преднамеренно или случайно, к впускному концу окислительного резервуара 710. Нагретая псевдоожиженная среда затем передает свое тепло поступающей холодной непрореагировавшей смеси воздуха, топлива и разбавителя 604, нагревая поток, как предусмотрено для процесса постепенного окисления. Псевдоожиженная среда 720, таким образом, служит для переноса тепла от продуктов окисления к реагирующим воздуху, топливу и разбавителю. Существует множество способов создания псевдоожиженных слоев для переноса тепла в замкнутых системах химических реакций, в частности, в сочетании с постадийным впрыскиванием в процессе постепенного окисления, и создание псевдоожиженных слоев представляет собой один пример того, как осуществляется нагревание (см., например, фиг. 1-12, 4512, 4516).
Фиг. 1-15A представляет схематическое изображение реакционной камеры с рециркуляционным слоем для постепенного окисления 800 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. В данном примере реакционная камера 800 включает резервуар 810, который, по меньшей мере, частично заполняет среда 820. Часть 810a среды 820, по меньшей мере, периодически отводится в нижнюю часть резервуар 810 и перемещается посредством транспортной системы 820 в верхнюю часть резервуара 810, и при этом часть 810a возвращается во внутреннее пространство резервуара 810. В то же самое время поток воздушно-топливной смеси 604 вводится в нижнюю часть резервуара 810 и проходит вверх через среду 820. Смесь 604 постепенно окисляется по мере того, как она проходит через среду 820 и отводится в верхнюю часть как отработавший газ 226. Когда среда 820, которая находится внутри резервуара 810, перемещается вниз, поскольку часть 810a находится внизу, наиболее горячая среда 820, т.е. среда 820, которая находится наверху среды 820, которая находится внутри резервуара 810, перемещается к впуску и тем самым противодействует тенденции поступающей воздушно-топливной смеси 604 к местному охлаждению среды 820. Холодные части 810a среды, перемещенные из нижней части, поднимаются вверх, где части 810a нагреваются горячим окисленным газом.
Фиг. 1-15B представляет схематическое изображение другой имеющей рециркуляционный слой реакционной камеры для постепенного окисления 801 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Согласно данному варианту осуществления, рециркулирующие части 810b удаляются из горячей части слоя 820, например, на среднем уровне глубины слоя 820 и циркулируют через трубу 822, причем тепло 824 выделяется из рециркулирующих частей 810b. Охлажденные части 810b поступают обратно в камеру 801, например, в верхнюю часть, таким образом, что они попадают наверх слоя 820. Это выделение тепла из рециркулирующих частей 810b отводит тепло из реакционной камеры 801. Согласно определенным аспектам, скорость потока частей 810b регулируется, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры 801 ниже температуры прекращения горения.
Фиг. 1-16 представляет схематическое изображение реакционной камеры для постепенного окисления 850 с рециркуляцией отработавшего газа согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Резервуар 810 и среда 820 являются аналогичными соответствующим компонентам устройства для постепенного окисления 800 на фиг. 1-15. Однако в примере на фиг. 1-16 часть 852 выходящего газа 226, также называемого в настоящем документе термином «отработавший газ», рециркулирует и поступает в нижнюю часть резервуара 810, таким образом, что она нагревает поступающую воздушно-топливную смесь 604 и поддерживает процесс постепенного окисления внутри резервуара 810, а также представляет собой дополнительный разбавитель для поступающей воздушно-топливной смеси 604.
Согласно определенным аспектам, реакционная камера для постепенного окисления 850 включает кислородный датчик, такой как датчик 524 на фиг. 1-11, который предназначается, чтобы определять уровень содержания кислорода внутри реакционной камеры 850 и передавать сигнал, представляющий собой уровень содержания кислорода. Согласно определенным аспектам, контроллер (не представленный на фиг. 1-16) принимает сигнал, описывающий уровень содержания кислорода, и передает инструкции, чтобы вводить отработавший газ 852, поступающий из выпуска реакционной камеры и содержащий газообразные продукты окисления топлива внутри реакционной камеры, в реакционную камеру 850 на основании уровня содержания кислорода.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления можно включает впуск реакционной камеры, который предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, один газ из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ. Газовую смесь можно регулировать, чтобы она находилась при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси. Устройство для окисления можно также включают теплообменную среду, расположенную внутри реакционной камеры. Эта среда можно предназначаться, чтобы поддерживать внутреннюю температуру реакционной камеры ниже температуры прекращения горения и поддерживать температуру на впуске реакционной камеры топлива на более высоком уровне, чем температура самовоспламенения топлива. Реакционная камера может содержать, по меньшей мере, один путь течения через камеру от впуска до выпуска. Путь течения можно предназначаться, чтобы направлять газ, поступающий во впуск по первому пути через среду, которая имеет более высокую температуру, чем температура самовоспламенения газовой смеси, до тех пор пока газовая смесь не достигает температуры выше температуры самовоспламенения газовой смеси, причем данный путь течения предназначается, кроме того, чтобы направлять окисляющуюся газовую смесь по второму пути через среду к выпуску, причем данный второй путь, как правило, является противоположным первому пути течения. Соответствующие примеры проиллюстрированы на фиг. 2-7A - 2-9.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как поступление в реакционную камеру, через впуск камеры, причем данный впуск предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, одного газа из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ, газовой смеси, находящейся при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси; поддержание температуры внутри реакционной камеры ниже температуры прекращения горения с помощью теплообменной среды, расположенной внутри реакционной камеры, поддержание температуры на впуске реакционной камеры топлива на более высоком уровне, чем температура самовоспламенения топлива, путем переноса тепла через теплообменную среду и направление газа, поступающего во впуск через первый путь через среду, которая имеет более высокую температуру, чем температура самовоспламенения газовой смеси, до тех пор пока газовая смесь не достигает температуры выше температуры самовоспламенения газовой смеси; и направление газа по второму пути через среду к выпуску камеры, причем второй путь, как правило, является противоположным первому пути течения.
Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление газовой смеси вдоль, по меньшей мере, одного пути из первого и второго путей течения без катализатора. Согласно определенным вариантам осуществления, реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать окисление смеси ниже температуры прекращения горения газовой смеси с помощью циркуляции теплообменной среды снаружи реакционной камеры. Согласно определенным вариантам осуществления, система также включает, по меньшей мере, одно устройство, представляющее собой турбину или поршневой двигатель, которое предназначается, чтобы принимать газ из выпуска реакционной камеры и расширять газ. Согласно определенным вариантам осуществления, газовая смесь содержит, по меньшей мере, одно из следующих веществ: водород, метан, этан, этилен, природный газ, пропан, пропилен, пропадиен, н-бутан, изобутан, бутилен-1, бутадиен, изопентан, н-пентан, ацетилен, гексан и монооксид углерода.
Согласно определенным вариантам осуществления, описанное устройство для окисления может включать впуск реакционной камеры, который предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, одного газа из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ. Газовую смесь можно регулировать, чтобы она находилась при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси. Устройство для окисления может также содержать тепловой контроллер, который предназначается, чтобы увеличивать температуру газовой смеси, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения газовой смеси, и в результате этого обеспечивается самовоспламенение газовой смеси и поддержание температуры газовой смеси ниже температуры прекращения горения в процессе окисления самовоспламеняющейся газовой смеси.
Некоторые способы окисления топлива, которые описаны в настоящем документе, включают такие стадии, как смешивание газа, содержащего низкоэнергетическое топливо (LEC), с одним или несколькими газами из группы, которую составляют газ, содержащий высокоэнергетическое топливо (HEC), газ, содержащий окислитель, и газ, содержащий разбавитель для получения газовой смеси, причем все газы присутствуют при температуре ниже температуры самовоспламенения любого из газов, которые содержатся в смеси; увеличение температуры газовой смеси, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения газовой смеси и выдерживание газовой смеси для самовоспламенения; и поддержание температуры газовой смеси ниже температуры прекращения горения в процессе окисления самовоспламеняющейся газовой смеси.
Согласно определенным вариантам осуществления, устройство для окисления может включать впуск, который предназначается, чтобы принимать газ, содержащий смесь низкоэнергетического топлива (LEC) и, по меньшей мере, одного газа из группы, которую составляют высокоэнергетическое топливо (HEC), содержащий окислитель (OC) газ и содержащий разбавитель (DC) газ. Газовую смесь можно регулировать, чтобы она находилась при температуре ниже температуры самовоспламенения газовой смеси. Контроллер (например, тепловой контроллер) может предназначаться, чтобы нагревать газ, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения первой газовой смеси, содержащей газ с окислителем, в которой смешиваются в определенных соотношениях низкоэнергетическое топливо (LEC) и высокоэнергетическое топливо (HEC). Впуск (например, инжектор) можно также предназначаться, чтобы впрыскивать, после того, как первый газ нагревается, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения первой газовой смеси, вторую газовую смесь, содержащую низкоэнергетическое газообразное топливо и высокоэнергетическое газообразное топливо. Данный впуск или инжектор может впрыскивать низкоэнергетический и высокоэнергетический газ в таком соотношении и при такой скорости впрыскивания, которые выбираются таким образом, чтобы производить практически такое же соотношение низкоэнергетического и высокоэнергетического газа, как в первой газовой смеси, когда газ впрыскивается в реакционную камеру. Реакционная камера можно предназначаться, чтобы смешивать впрыскиваемый второй газ с нагретым газом, содержащим окислитель, при такой скорости, чтобы получалась практически гомогенная первая газовая смесь в течение меньшего времени, чем продолжительность задержки воспламенения для второй газовой смеси, обеспечивать самовоспламенение первой газовой смеси и поддерживать температуру первой газовой смеси ниже температуры прекращения горения в то время, когда самовоспламеняющаяся первая газовая смесь окисляется.
Согласно определенным вариантам осуществления, способ окисления, который описан в настоящем документе, включает такие стадии, как нагревание газа, содержащего окислитель, по меньшей мере, до температуры самовоспламенения первой газовой смеси, содержащей газ с окислителем, в которой смешиваются в определенных соотношениях низкоэнергетическое топливо (LEC) и высокоэнергетическое топливо (HEC); впрыскивание после нагревания второй газовой смеси, содержащей низкоэнергетическое газообразное топливо и высокоэнергетическое топливо, причем соотношение низкоэнергетического и высокоэнергетического газа и скорость впрыскивания выбираются таким образом, чтобы получалась имеющая практически такие же соотношения первая газовая смесь при впрыскивании в нагретый газ, содержащий окислитель; смешивание впрыскиваемого второго газа с нагретым газом, содержащим окислитель, при такой скорости, чтобы получалась практически гомогенная первая газовая смесь в течение меньшего времени, чем продолжительность задержки воспламенения для второй газовой смеси, и обеспечивалось самовоспламенение первой газовой смеси; и поддержание температуры первой газовой смеси ниже температуры прекращения горения в то время, когда самовоспламеняющаяся первая газовая смесь окисляется.
Фиг. 1-17A и 17B представляют реакционную камеру для постепенного окисления 860, содержащую структурные реакционные элементы 864 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. В данном примере фиг. 1-17A представляет схематическое изображение резервуара 862, в котором содержится укладка из структурных реакционных элементов 864.
Фиг. 1-17B представляет примерный структурный реакционный элемент 864, который имеет форму диска 866 с множеством отверстий 868, проходящих через всю толщину диска 866. Согласно определенным вариантам осуществления, края диска 866 поднимаются таким образом, что образуется просвет между уложенными элементами 864, и в результате этого обеспечивается боковой поток воздушно-топливной смеси между отверстиями, когда воздушно-топливная смесь проходит через уложенные реакционные элементы 864. При укладке в резервуаре 862 элементы 864 могут произвольным образом поворачиваться вокруг центральной точки таким образом, что отверстия 868 соседних элементов 864 не выстраиваются в линию, и в результате этого обеспечивается более извилистый путь через уложенные элементы 864.
В качестве другого примера структурной среды внутри резервуара 862 (фиг. 1-17A), экструдированный металлический или керамический материал, такой как кордиерит, служит для передачи тепла от расположенной ниже по потоку области вблизи выпуска 226 до расположенной выше по потоку области. Это служит для нагревания поступающей воздушно-топливной смеси 604 выше температуры самовоспламенения и инициирования окислительных реакций.
Устройство для постепенного окисления в качестве источника тепла
Фиг. 2-1 представляет схематическое изображение устройства для окисления 224, которое присоединяется к теплообменнику 1010, обеспечивая технологическое нагревание для промышленного процесса согласно определенным аспектам настоящего изобретения. На фиг. 2-1 ступенчатое окисление реагирующих газов 604 происходит в устройство для окисления 224, которое обеспечивает ступенчатое окисление и производит газообразные продукты 1015, проходящие через теплообменник 1010, в котором тепло утилизируется, и газообразные продукты выпускаются в атмосферу как отработавший газ 1030 при пониженной температуре. В другой канал теплообменника 1010 поступает охлаждающая текучая среда 1020, например, воздух, вода, или промышленная текучая среда, которая надлежащим образом нагревается и выходит как горячая текучая среда 1025, которая протекает к соответствующей точке использования (не представленной на фиг. 2-1). Теплообменник 1010 может иметь конфигурацию сонаправленного течения, противоточного течения, перекрестного течения, или любые другие конфигурации теплообменников, которые описаны и проиллюстрированы в настоящем документе, или другие конфигурации, которые могут быть известны в технике. Продукты 1015 реакции постепенного окисления, которые представляют собой не содержащие загрязняющих веществ горячие газы, направляются в теплообменник, который используется для нагревания потока воздуха в целях отопления жилых помещений для удобства людей, или для нагревания потока воды, используемой в домашнем хозяйстве, или любого промышленного материала, для которого требуется нагревание.
Фиг. 2-2 представляет схематическое изображение устройства для окисления 224, к которому присоединяется нагревательная камера 1050 для нагревания технологического материала 1055 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Воздушно-топливная смесь 604 поступает в устройство для окисления 224, где она подвергается постепенному окислению и выходит в форме газообразных продуктов 1015, после чего она поступает в нагревательную камеру 1050, где материал 1055 нагревается за счет горячих газов, и после этого газ выходит из нагревательной камеры как отработавший газ 1030 и выпускается в атмосферу. Материал 1055 можно обрабатывать, осуществляя один или несколько процессов, таких как оттаивание, плавление, испарение, сублимация, высушивание, обжиг, затвердевание, спекание или кальцинирование, с использованием утилизируемого тепла. Согласно аналогичному варианту осуществления (не представленному на фиг. 2-2), в котором вентиляция является достаточной, чтобы предотвращать неблагоприятные уровни истощения кислорода, горячие продукты реакции постепенного окисления направляются в жилое помещение для его надлежащего отопления. Согласно другому аналогичному варианту осуществления (не представленному на фиг. 2-2), горячие продукты направляются в абсорбционный холодильник, чтобы производить энергию для осуществления цикла абсорбционного охлаждения.
Фиг. 2-3 представляет схематическое изображение устройства для окисления 224, включающего внутренний теплообменник 1060, через который проходит текучая среда согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Теплообменник 1060 расположен внутри реакционной камеры устройства для окисления 224. Воздушно-топливная смесь 604 поступает в устройство для окисления 224 и подвергается постепенному окислению. Холодная текучая среда 1020 поступает в теплообменник 1060, и часть тепловой энергии, которая производится в процессе постепенного окисления, передается текучей среде через теплообменник 1060. Охлажденный газообразные продукты выходят как отработавший газ 1030. Горячая текучая среда 1025 выходит из теплообменника 1060 направляется в точку ее использования (не представленную на фиг. 2-3). Согласно примерному варианту осуществления, устройство для окисления 224 включает резервуар, внутри которого проходят трубки, и воздух проходит через эти трубки.
Согласно определенным вариантам осуществления, тепло отводится из реакционной камеры устройства для окисления 224 с использованием одной текучей среды, такой как охлаждающая текучая среды 1020, которая представляет собой жидкость, по меньшей мере, частично испаряющуюся в теплообменнике 1060, охлаждающая текучая среда 1020, которая представляет собой газ, или охлаждающая текучая среда 1020, которая представляет собой жидкость, у которой увеличивается температура без испарения. Согласно определенным вариантам осуществления, количество тепла, которое отводится из реакционной камеры устройства для окисления 224, регулируется с использованием одного или нескольких способов, включая регулирование скорости потока охлаждающей текучей среды 1020, регулирование скорость потока горячей текучей среды 1025 или регулирование температуры, по меньшей мере, одной среды, такой как охлаждающая текучая среда 1020 и горячая текучая среда 1025. Согласно определенным аспектам, охлаждающая текучая среда 1020 находится при температуре, которая составляет менее чем внутренняя температура внутри устройства для окисления 224, причем реакционная камера предназначается, чтобы поддерживать внутреннюю температуру выше температуры самовоспламенения топлива в составе воздушно-топливной смеси 604 и ниже температуры прекращения горения топлива в составе воздушно-топливной смеси 604.
Фиг. 2-4 представляет схематическое изображение другого варианта осуществления устройства для окисления 224, включающего множество внутренних теплообменников 1060 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Аналогично фиг. 2-3, воздушно-топливная смесь 604 поступает в устройство для окисления 224, где происходит ступенчатое окисление, и часть тепловой энергии передается охлаждающей текучей среде 1020 посредством теплообменников 1070, которые расположены внутри устройства для постепенного окисления 224. Согласно определенным вариантам осуществления, теплообменники 1060 включают множество теплоотводных поверхностей (не представленных на фиг. 2-4), которые расположены внутри вблизи к внешнему периметру резервуара устройства для окисления, чтобы поглощать основную часть используемого тепла, которое могло бы в противном случае рассеиваться в окружающую среду через недостаточно изолированные стенки.
Фиг. 2-5 представляет схематическое изображение устройства для окисления 224, включающего множество зон постепенного окисления 1075A-1075C с прилегающими реакционными зонами 1080A-1080C, в котором партии технологического материала нагреваются согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Воздушно-топливная смесь 604 поступает в устройство для окисления 224 тремя отдельными потоками реагирующих веществ 1090A, 1090B и 1090C, которые направляются, соответственно, в зоны постепенного окисления 1075A-1075C, где происходит ступенчатое окисление и высвобождение экзотермической энергии газов. Гранулированные промышленные материалы (не представленные на фиг. 2-5) находятся внутри реакционных зон 1080A-1080C, где они подвергаются псевдоожижению реагирующими газами и нагреваются утилизируемым теплом в периодическом режиме. Часть теплоотводной поверхности располагается таким образом, что она поглощает в достаточном количестве утилизируемое тепло от процесса постепенного окисления, чтобы уменьшать местную температуру ниже уровня, при котором можно происходить повреждение внутренних компонентов. Газообразные продукты от процесса постепенного окисления повторно объединяются в единый поток отработавшего газа 1030, который выпускается в атмосферу или направляется на другое конечное использование. Согласно аналогичному варианту осуществления (не представленному на фиг. 2-5), предусматриваются дополнительные теплоотводные поверхности, таким образом, чтобы обеспечивать осуществление процесса постепенного окисления при более высокой плотности высвобождаемой энергии (в результате этого уменьшается суммарный объем реактора) без перегревания и повреждения внутренних компонентов.
Фиг. 2-6 представляет схематическое изображение устройства для окисления 224, включающего множество зон постепенного окисления 1075A-1075C с прилегающими реакционными зонами 1120A-1120C, в котором постоянные потоки технологического материала 1105 нагреваются согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Как и на фиг. 2-5, воздушно-топливная смесь 604 поступает в устройство для окисления 224 тремя отдельными потоками реагирующих веществ 1090A, 1090B и 1090C, которые направляются, соответственно, в зоны постепенного окисления 1075A-1075C, где происходит ступенчатое окисление и высвобождение экзотермической энергии газов, после чего осуществляется повторное объединение потоков газообразных продуктов в единый поток отработавшего газа 1030, который выходит в атмосферу. Холодные непрореагировавшие гранулированные промышленные материалы 1105A-1105C поступают в реакционные зоны 1120A-1120C, где эти материалы подвергаются псевдоожижению за счет газов, вступающих в реакции постепенного окисления, и нагреваются в непрерывном режиме до надлежащим образом измененного состояния 1110A-1110C, в котором они выводятся из устройства для окисления 224.
На расположенной ниже по потоку стороне каждой реакционной зоны 1120A-1120C находятся перегородки 1085A-1085C, которые задерживают часть нагретых утилизируемым теплом гранулированных материалов и пропускают остальные материалы 1110A-1110C, которые выходят из устройства для окисления 224, а затем измененные материалы собираются для последующего использования (не представленного на фиг. 2-6). Каждая из множества стадий процесса постепенного окисления независимо осуществляется присутствии циркулирующего псевдоожиженного слоя гранулированного технологического материала, который одновременно обеспечивает теплообмен с газов, газами, вступающими в реакции постепенного окисления, в то время как сами материалы 1105A-1105C проходят высушивание, отверждение, спекание, кальцинирование или другие изменения, вызываемые термической обработкой, с использованием тепла газов, получаемых от постепенного окисления. Процесс циркуляции псевдоожиженного слоя, который благоприятным образом изменяет гранулированный материал, можно осуществлять в периодическом или непрерывном режиме на каждой из стадий постепенного окисления. В непрерывном процессе скорость введения холодного непрореагировавшего гранулированного материала 1105A-1105C должна быть достаточно малой, чтобы обеспечивать отсутствие гашения и тушения процесса постепенного окисления. Согласно определенным вариантам осуществления, массовая скорость, с которой холодный непрореагировавший гранулированный материал 1105A-1105C непрерывно поступает в реакционные зоны 1120A-1120C, составляет от 1 до 20% массовой скорости потока газов, поступающих в реакционные зоны 1120A-1120C для постепенного окисления.
Фиг. 2-7A и 2-7B представляют перспективное изображение и изображение поперечного сечения примерной подробной конструкции элемента 1150 устройства для окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Две концентрические трубы 1055 и 1060 используются для создания технологического пути, причем входящая воздушно-топливная смесь 604 поступает во внутреннюю трубу 1060 в точке A, протекает через меньшую трубу 1060 и затем выходит из внутренней трубы 1060 в точке B и течет в противоположном направлении между внутренней трубой 1060 и внешней трубой 1055, в то время как продолжается ступенчатое окисление, а затем смесь выходит из элемента 1150 устройства для окисления в точке C как полностью окисленный газообразный продукт. По мере того как воздушно-топливная смесь 604 протекает через внутреннюю трубу 1060, смесь нагревается через стенки трубы 1060 горячим газообразным продуктом, протекающим в противоположном направлении снаружи трубы 1060.
Фиг. 2-8 представляет график температур внутри устройства для окисления на фиг. 2-7A и 2-7B согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Поступающая в точке A воздушно-топливная смесь находится при температуре T1. Смесь нагревается в течение начальной часть потока через внутреннюю трубу 1060 посредством теплопереноса от горячего газа, текущего в противоположном направлении между внутренней трубой 1060 и внешней трубой 1055 до температуры T2, когда инициируется реакция постепенного окисления. Экзотермическое высвобождение химической энергии в процессе постепенного окисления повышает температуру до T3, когда основная масса вещества уже прореагировала. Газ затем поступает в среднюю секцию между двумя концентрическими трубами 1055 и 1060 и движется в противоположном направлении по отношению к начальному потоку. Может продолжаться медленное увеличение температуры газа вследствие продолжающегося постепенного окисления, или температура газа может уменьшаться, когда тепло теряется во внешней трубе 1055. Газ затем продолжает движение и обменивается тепловой энергией с поступающей (холодной) воздушно-топливной смесью 604 через стенки внутренней трубы 1060, и в результате этого происходит охлаждение газообразного продукта до T4.
Фиг. 2-9 представляет изображение поперечного сечения сборки с использование элемент устройства для окисления на фиг. 2-7A и 2-7B согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Сборка 1200 включает множество элементов 1150, расположенных в корпусе 1205, который в данном примере представляет собой цилиндрический резервуар. Согласно определенным вариантам осуществления, резервуар 1205 имеет форму, которая не является круглой. Согласно определенным вариантам осуществления, резервуар 1205 находится при повышенном давлении. Две сплошные поперечные плиты 1210 и 1220 расположены поперек внутреннего пространства резервуара 1205. Внутренние трубы 1160 пронизывают плиту 1210, и внешние трубы 1055 прикрепляются к плите 1220. Предусмотрены отдельные каналы 1225 сквозь плиту 1220. Воздушно-топливная смесь 604, которая протекает через резервуары 1205, проходит в каждую из внутренних труб 1060 через трубы 1060 и 1055, как обсуждалось выше по отношению к фиг. 2-7A и 2-7B, и затем проходит снаружи внешних труб 1055 и через каналы 1225. По мере того, как воздушно-топливная смесь 604 превращается в газообразный продукт, смесь проходит три раза по одной и той же длине резервуара 1205: (1) через внутренние трубы 1060, (2) между внутренними и внешними трубами 1060 и 1055 и (3) через пространство между внешними трубами 1055 и резервуаром 1205. Это обеспечивает дополнительный теплообмен и способствует повышению эффективности и уменьшению объема сборки 1200 устройства для окисления.
Цикл Шнепеля для возвратно-поступательного двигателя
Фиг. 3-1 схематически представляет имеющую цикл Шнепеля производящую электроэнергию систему 3000 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Воздушно-топливная смесь 3005, представляющая собой смесь низкоэнергетического топлива, высокоэнергетического топлива, окислителя или разбавителя, как описано по отношению к воздушно-топливной смеси 206e на фиг. 1-7, поступает в компрессорный цилиндр 3010, имеющий поршень 3030a, с который соединяется через соединительный стержень 3032 коленчатый вал 3034, который, как правило, является аналогичным коленчатым валам, находящимся в традиционных двигателях внутреннего сгорания, имеющих возвратно-поступательные цилиндры. Согласно определенным аспектам, компрессорный цилиндр 3010 представляет собой часть приводного блока 3036, который обозначает ограниченный штриховой линией прямоугольник 3036, который, в качестве блока, как правило, является аналогичным частям традиционных двигателей внутреннего сгорания, имеющих возвратно-поступательные цилиндры. Когда поршень 3030a опускается внутри компрессорного цилиндра 3010, воздушно-топливная смесь 3005 отводится во внутреннее пространство 3015 через регулируемый впускной клапан (не представленный на фиг. 3-1). Когда поршень 3030a находится вблизи нижней точки своего движения, впускной клапан закрывается. Когда поршень 3030a поднимается, внутренний объем 3015 уменьшается, и в результате этого сжимается воздушно-топливная смесь 3005. Когда поршень 3030a достигает заданной точки, выпускной клапан (не представленный на фиг. 3-1) открывается и соединяет внутреннее пространство 3015 с линией 3040, и в результате этого допускается течение сжатой воздушно-топливной смеси 3005 в линию 3040. В данном примере сжатая воздушно-топливная смесь 3005 проходит через рекуператор 3045, затем через линию 3050 в теплообменник 3055 и затем в линию 3060 и в устройство для окисления 224.
Как описано выше, воздушно-топливная смесь 3005 постепенно окисляется внутри устройства для окисления 224 и существует как горячий газообразный продукт сгорания в линии 3065. Этот горячий газ направляется на вторую сторону теплообменника 3055, в котором горячий газ передает часть своей тепловой энергии поступающей воздушно-топливной смеси 3050. Газообразный продукт теперь протекает через линию 3070 во внутреннее пространство 3025 расширительного цилиндра 3020.
В процессе работы впускной клапан (не представленный на фиг. 3-1) открывается, когда поршень 3030b находится на уровне или только проходит верхнюю мертвую точку, таким образом, что горячий сжатый газообразный продукт может перетекать во внутреннее пространство 3025. Когда коленчатый вал 3034 поворачивается, и поршень 3030b опускается внутри расширительного цилиндра 3020, горячий сжатый газообразный продукт продолжает свое течение во внутреннее пространство 3025, и в результате этого поддерживается постоянное давление во внутреннем пространстве 3025 в течение всего хода поршня.
Согласно определенным технологическим аспектам, впускной клапан закрывается перед тем, как поршень 3030b достигает нижней точки своего движения. Когда поршень перемещается от своей промежуточной точки до нижней мертвой точки, давление газа уменьшается, и он охлаждается вследствие увеличения объема пространства.
Компрессорный цилиндр 3010 и расширительный цилиндр 3020 присоединены к общему коленчатому валу 3034 и смещены друг относительно друга приблизительно на 180 градусов вращения коленчатого вала 3034, т.е. поршень 3030b находится в верхней точке своего хода, когда поршень 3030a находится в нижней точке своего хода. Поскольку воздушно-топливная смесь 3005 во внутреннем пространстве 3015 компрессорного цилиндра 3010 сначала находится, согласно данному примеру, при атмосферном давлении, в то время как давление во внутреннем пространстве 3025 находится на уровне или вблизи максимального давления, которое будет достигнуто в конце хода сжатия в компрессорном цилиндре 3010, существует неравенство сил для большинства положений при вращении на 180 градусов в то время, когда поршень 3030b опускается, а поршень 3030a поднимается. Именно это неравенство сил приводит в действие вращающийся коленчатый вал 3034. Это неравенство сил также приводит в действие вращающийся генератор 416, и в результате этого производится энергия. Согласно определенным аспектам, генератор 416 производит электроэнергию. Согласно определенным аспектам, генератор 416 производит сжатую текучую среду или производит механическую работу. По мере того как поршень 3030a компрессорного цилиндра 3010 достигает верхней точки своего хода, существует короткий период, когда давление во внутреннем пространстве 3015 приблизительно равняется давлению во внутреннем пространстве 3025. Хотя в течение этого периода не существует чистой движущей силы, инерция вращающегося коленчатого вала, который может включать маховое колесо (не представленное на фиг. 3-1), чтобы обеспечивать увеличение вращательной инерции, будет перемещать коленчатый вал мимо верхней мертвой точки, после который компрессорный цилиндр 3010 втягивает новую воздушно-топливную смесь 3005, и расширительный цилиндр выпускает газ из внутреннего пространства 3025 через линию 3080 и через рекуператор 3045, после которого газ выпускается как отработавший газ 3085.
Согласно определенным аспектам, приводной блок 3036 называется термином «возвратно-поступательный двигатель с расщепленным циклом», имеющий впуск, в который поступает воздушно-топливная смесь 3005; компрессорный цилиндр 3010 называется термином «компрессионная камера», присоединенная к возвратно-поступательному двигателю; и внутреннее пространство 3015 называется термином «возвратно-поступательная поршневая камера». Согласно определенным аспектам, устройство для окисления 224 называется термином «окислительная камера», которая предназначается, чтобы принимать смесь из компрессионной камеры через первый впуск и поддерживать окисление смеси при внутренней температуре, являющейся ниже температуры прекращения горения смеси и достаточной для окисления смеси без катализатора. Согласно определенным аспектам, расширительный цилиндр 3020 называется термином «расширительная камера», которая принимает нагретый газообразный продукт окисления из окислительной камеры и расширяет газообразный продукт внутри расширительной камеры, и в результате этого приводится в действие возвратно-поступательный двигатель.
Фиг. 3-2 представляет концептуальное изображение производящей электроэнергию системы 3000 на фиг. 3-1 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Блок двигателя 3036 занимает центральное положение с устройством для окисления 224, присоединенный к одному концу через рекуператор 3045 и теплообменник 3055. В данном примере низкоэнергетическое топливо, такое как топливо из удаленных органических отходов 202 (не представленных на фиг. 3-2), поступает через линию 3007, и воздушно-топливная смесь 3005 образуется в обозначенной области.
Фиг. 3-3 представляет схематическое изображение следующего варианта осуществления производящей электроэнергию системы 3100 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3100 являются такими же, как в системе 3000, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-3. Система 3100 включает турбину 3110, присоединенную к компрессору 3105. Компрессор 3105 функционирует последовательно с возвратно-поступательным поршневым компрессором 3010, таким образом, что коэффициент сжатия поршневого компрессора 3010 уменьшается по сравнению с системой 3000 посредством компрессора 3105, обеспечивая достаточное сжатие, чтобы обеспечивать производительность поршневого компрессора 3010 вплоть до давления системы. Согласно определенным аспектам, общее давление системы 3100 является выше, чем общее давление системы 3000, и в результате этого повышается эффективность. Выпускаемый поток из компрессора 3105 проходит через теплообменник 3055 и в устройство для окисления 224. Выпускаемый поток из устройства для окисления 224 проходит через турбину 3110 перед прохождением через теплообменник 3055, а затем в поршневой расширитель 3020, после которого сжатый газ выпускается в окружающую среду. Абсолютные значения давления и температуры текучей среды в различных пронумерованных точках в системе 3100, которые представлены на фиг. 3-3, приведены в качестве иллюстрации в таблице под чертежом на фиг. 3-3.
Фиг. 3-4 представляет схематическое изображение следующего варианта производящей электроэнергию системы 3150 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3150 являются такими же, как элементы системы 3100, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-4. В данном примере воздушно-топливная смесь 3005 сжимается компрессором 3105 и затем поступает в поршневой компрессор 3010, который имеет обратную конфигурацию по отношению к системе 3100. Значения давления и температуры текучей среды в различных пронумерованных точках в системе 3500, которые представлены на фиг. 3-4, приведены в таблице под чертежом на фиг. 3-4.
Фиг. 3-5 представляет схематическое изображение следующего варианта производящей электроэнергию системы 3200 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3200 являются такими же, как элементы представленных выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-5. Согласно данному варианту осуществления, выходящий поток из устройства для окисления 224 направляется в поршневой расширитель 3020 и затем через теплообменник 3055 в турбину 3110, и после этого газ выпускается.
Фиг. 3-6 представляет схематическое изображение следующего варианта производящей электроэнергию системы 3250 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3250 являются такими же, как элементы представленных выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-6. Согласно данному варианту осуществления, воздушно-топливная смесь 3005 сжимается приводимом в действие турбиной компрессоре 3105 и затем дополнительно сжимается в поршневом компрессоре 3010. Отработавший газ из устройства для окисления 224 проходит через теплообменник 3055, затем через поршневой расширитель 3020 перед прохождением через турбину 3110, и после этого газ выпускается.
Фиг. 3-7 представляет схематическое изображение следующего варианта производящей электроэнергию системы 3300 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3300 являются такими же, как элементы представленных выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-7. Данный вариант осуществления является аналогичным системе 3250, за исключением того, что выходящий поток из устройства для окисления 224 поступает в поршневой расширитель 3020 и затем проходит в теплообменник 3055.
Фиг. 3-8 представляет схематическое изображение следующего варианта производящей электроэнергию системы 3350 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3350 являются такими же, как элементы представленных выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-8. Данный вариант осуществления является аналогичным системе 3250, за исключением того, что выходящий поток из устройства для окисления 224 поступает в теплообменник 3055, а затем проходит через турбину 3110 перед поступлением в поршневой расширитель 3020, и после этого газ выпускается.
Фиг. 3-9 представляет схематическое изображение следующего варианта производящей электроэнергию системы 3400 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3400 являются такими же, как элементы представленных выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-9. Данный вариант осуществления является аналогичным системе 3200, за исключением того, что выходящий поток из устройства для окисления 224 поступает в теплообменник 3055, а затем проходит через турбину 3110 перед поступлением в поршневой расширитель 3020, и после этого газ выпускается.
Фиг. 3-10 представляет схематическое изображение следующего варианта производящей электроэнергию системы 3450 с циклом Шнепеля согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 3450 являются такими же, как элементы представленных выше систем, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 3-10. Данный вариант осуществления является аналогичным системе 3200, за исключением того, что выходящий поток из устройства для окисления 224 поступает в теплообменник 3055 и затем проходит через поршневой расширитель 3020 перед поступлением в турбину 3110, и после этого газ выпускается.
Технологическое оборудование использование ступенчатое окисление
Фиг. 4-1 схематически представляет устройства трехступенчатой системы для постепенного окисления с нагревателем текучей среды 4000 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Предварительно приготовленная воздушно-топливная смесь 4005 поступает в последовательность из трех устройств для окисления 4010a, 4010b и 4010c. Согласно определенным аспектам, эти три устройства для окисления 4010a, 4010b и 4010c различаются по своим размерам и конфигурациям. Согласно определенным аспектам, три устройства для окисления 4010a, 4010b и 4010c являются практически идентичными. Воздушно-топливная смесь 4005 поступает в первое устройство для окисления 4010a, где топливо окисляется частью кислорода воздуха, и образуются горячие продукты горения 4035a. Продукты 4035a содержат кислород, поскольку содержание топлива в устройство для окисления является низким, т.е. существует избыток воздуха. Горячие продукты горения 4035a направляются через первый теплообменник 4020a для текучей среды, в котором тепло передается от горячих продуктов горения 4035 к переносящей тепло текучей среде, в данном примере это вода 430, которая выходит как более горячая текучая среда, в данном примере это пар 4040. Согласно определенным аспектам, вместо воды 430 используется другая переносящая тепло текучая среда, такая как нефть или газ, и выходящий поток представляет собой горячую переносящую тепло текучую среду.
Согласно определенным аспектам, первое устройство для окисления 4010a называется термином «первая реакционная камера», и она предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление первого топлива, т.е. топливного компонента воздушно-топливной смеси 4005, в первой реакционной камере без катализатора, и при этом первая внутренняя температура в первой реакционной камере поддерживается ниже температуры прекращения горения первого топлива.
Газообразные продукты 4035a затем поступают во второе устройство для окисления 4010b и смешиваются с низкоэнергетическим топливом 4007. Согласно определенным аспектам, низкоэнергетическое топливо 4007 смешивается с одним веществом, представляющим собой окислитель, разбавитель или отработавший газ, и с высокоэнергетическим топливом (ни одно из данных веществ не представлено на фиг. 4-1) перед поступлением в устройство для окисления 4010b. Топливо в полученной в результате смеси окисляется частью кислорода в смеси, и образуются горячие продукты горения 4035b. Горячие продукты горения 4035b направляются во второй нагреватель 4020b текучей среды, в котором тепло передается от горячих продуктов горения 4035b к отдельному потоку воды 430, которая выходит в форме пара 4040, который смешивается с паром 4040 из первого теплообменника 4020a.
Согласно определенным аспектам, второе устройство для окисления 4010b называется термином «вторая реакционная камера», и она предназначается, чтобы поддерживать ступенчатое окисление второго топлива, т.е. оставшегося топлива в горячих продуктах горения 4035a и вновь поступающего низкоэнергетического топлива 4007 в процессе постепенного окисления без катализатора. Согласно определенным аспектам, второе устройство для окисления 4010b включает кислородный датчик (не представленный на фиг. 4-1), к которому присоединяется процессор, который составляет часть контроллера (не представленного на фиг. 4-1), причем данный процессор предназначается, чтобы определять уровень содержания кислорода.
Газообразные продукты 4035b или отработавшие газы затем поступают в третье устройство для окисления 4010c и смешиваются с дополнительным низкоэнергетическим топливом 4007. Согласно определенным аспектам, низкоэнергетическое топливо 4007, которое поступает в устройство для окисления 4010c, смешивается с одним веществом, представляющим собой окислитель, разбавитель или отработавший газ, и высокоэнергетическим топливом (не представленным на фиг. 4-1) перед поступлением в устройство для окисления 4010c. Согласно определенным аспектам, воздушно-топливная смесь, которая поступает в устройство для окисления 4010c, отличается от воздушно-топливной смеси, которая поступает в устройство для окисления 4010b. Топливо в получаемой в результате смеси в устройстве для окисления 4010c окисляется частью кислорода в смеси и образуются горячие продукты горения 4035c. Эти горячие продукты горения 4035c направляются в третий теплообменник 4020c для текучей среды, в котором тепло переносится от горячих продуктов горения 4035c к отдельному потоку воды 430, которая выходит в форме пара 4040, который смешивается с паром 4040 из первого и второго теплообменников 4020a и 4020b.
2
2
Множество стадий постепенного окисления, теплопереноса в текучую среду для уменьшения температуры газа и введения нового топлива (фиг. 4-1) можно использовать для ограничения температуры газа ниже температурного порога термических оксидов азота, и при этом уменьшается количество кислорода, выходящего из горячих продуктов горения 4035c. Высокая эффективность, которая измеряется количеством энергии, которая переносится от топлива 4005 и 4007 к пару 4040, обеспечивает, что содержание кислорода, выходящего из системы 4000 через горячие продукты горения 4035c, является низким, насколько это возможно, составляя, как правило, от 3 до 5 об. %. Она также обеспечивает, что выходящие горячие продукты горения 4035c имеют минимально возможную температуру. Если сделать попытку окисления топлива в одну стадия, то воздушно-топливное соотношение будет близким к стехиометрическому значению, что создавало бы высокие температуры. Например, адиабатическая температура реакции метана при стехиометрическом соотношении составляет 3484°F (1918°C), что значительно превышает пороговую температуру 2300°F (1260°C) для образования термических оксидов азота. В многостадийном процессе на фиг. 4-1 охлаждаются различные газовые потоки 4035a, 4035b, 4035c из трех устройств для окисления 4010a, 4010b и 4010c, таким образом, что больше топлива может поступать и окисляться, и основная масса кислорода может удаляться из системы в форме HO и CO без создания высоких температур и образования термических оксидов азота.
Другие конфигурации потока текучей среды от источника исходного материала, в данном примере это вода 430, до выходящего материала, в данном примере это пар 4040, являются очевидными для специалистов в данной области техники. Система 4000 может содержать в меньшем или большем количестве устройства для окисления и теплообменники. Один или несколько теплообменников 4020a, 4020b и т.д. можно соединять последовательно, чтобы увеличивать температуру выходящей текучей среды. Воздушно-топливная смесь, которая поступает в каждое устройство для окисления 4010a, 4010b и т.д. может различаться и регулироваться в зависимости от результатов измерения кислорода в потоках продуктов горения 4035a, 4035b и т.д.
Нагревательное устройство для постепенного окисления текучей среды 4000 обеспечивает эффективное окисление топлива воздухом в три стадии и поглощение тепловой энергии текучей средой. Первая стадия включает первое устройство для постепенного окисления, которое обеспечивает ступенчатое окисление топлива и производит горячий имеющий низкое содержание примесей поток газообразного продукта, который направляется в первый нагреватель текучей среды, где за его счет нагревается поток первой текучей среды. Чтобы уменьшать или устранять вероятность проскока пламени и взрыва воздушно-топливной смеси 4005, которая поступает в устройство для окисления 4010a первой стадии, концентрация топлива в воздушно-топливной смеси 4005 ограничивается интервалом концентрации топлива, составляющим приблизительно от 20 до 90% нижнего предела воспламеняемости. Согласно определенным аспектам, оказывается желательным ограничение содержания топлива в интервале от 25 до 50%. Согласно определенным аспектам, могут быть применимы стандарты пожарной безопасности, которые ограничивают допустимую концентрацию топлива в воздушно-топливной смеси 4005.
После окисления топлива в первом устройстве для окисления 4010a газообразные продукты 4035a содержат приблизительно от 11 до 19% кислорода, а также диоксид углерода и водяной пар, при температуре, составляющей приблизительно от 1500 до 2300°F (от 815,6 до 1260°C). Согласно определенным аспектам, окислительный процесс регулируется таким образом, что температура газообразных продуктов 4035a составляет от 1600 до 2000°F (от 871,1 до 1093°C). После передачи части своего тепла переносящей тепло текучей среде в теплообменнике 4020a газообразный продукт 4035a находится при температур, составляющей от 700 до 1300°F (от 371,1 до 704,4°C) и предпочтительнее от 900 до 1200°F (от 482,2 до 648,9°C). При такой пониженной температуре поток топлива 4007 может смешиваться с газообразным продуктом 4035a без немедленного возникновения реакции, которая может происходить при температуре, составляющей или превышающей 1400°F (760°C). Температура смешанного газообразного продукта 4035a и топлива 4007, тем не менее, является достаточно высокой, чтобы инициировать окислительные реакции после задержки воспламенения на период от 0,01 до 5 секунд. Согласно определенным аспектам, задержка воспламенения составляет от 0,1 до 0,5 секунды.
После возникновения задержки воспламенения смесь поступает во второе устройство для окисления 4010b, которое представляет собой предпочтительное место для осуществления эффективного окисления топлива. Второе устройство для окисления 4010b производит горячий газообразный поток продуктов 4035b, содержащий от 2 до 16% кислорода при температуре, составляющей предпочтительно от 1600 до 2000°F (от 871,1 до 1093°C), который направляется во второй нагреватель текучей среды 4020b, где часть его тепловой энергия передается переносящей тепло текучей среде. Температура газообразного продукта 4035b затем уменьшается до уровня удельная теплоемкость до 1200°F (от 482,2 до 648,9°C), и второй поток низкоэнергетического топлива 4007 смешивается с газообразным продуктом 4035b без преждевременной реакции. Смесь топлива 4007 и газообразного продукта 4035b поступает в третье устройство для окисления 4010c, в котором окислительный процесс повторяется, и производится отработавший газ 4035c, содержащий от 1,5 до 14% кислорода. Согласно определенным аспектам, могут объединяться от двух до восьми стадий постепенного окисления с последующим нагреванием текучей среды, причем конечная цель представляет собой производство потока конечного газообразного продукта, содержащего от 1,5 до 5% кислорода и имеющего температуру, составляющую приблизительно от 150 до 700°F (от 65,56 до 371,1°C). Согласно определенным аспектам, температура потока конечного газообразного продукта составляет приблизительно от 250 до 400°F (от 121,1 до 204,4°C). Потоки нагретой текучей среды могут объединяться друг с другом, как представлено на фиг. 4-1, или оставаться раздельными.
Фиг. 4-2 схематически представляет другой вариант осуществления устройства трехступенчатой системы для постепенного окисления с нагревателем текучей среды 4100 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Воздушно-топливная смесь 4005 поступает в первое устройство для окисления 4110a, где топливо окисляется частью кислорода в воздушно-топливной смеси 4005, производя тепло, которое переносится через первый паровой змеевик 4120a и доводит до кипения поток жидкой воды 4130a, производя насыщенный пар 4105. Охлажденные газообразные продукты 4035a выходят из первого устройства для окисления 4110a, и с ними смешиваются дополнительное низкоэнергетическое или высокоэнергетическое топливо и разбавители 4007, после чего смесь поступает во второе устройство для постепенного окисления 4110b. Аналогично реакции в первом устройство для окисления 4110a, топливо в смеси топлива и газообразного продукта окисляется частью кислорода в смеси, производя тепло, которое переносится через второй паровой змеевик 4120b и доводит до кипения второй поток жидкой воды 4030, производя насыщенный пар 4105. Охлажденные газы 4035b выходят из второго устройства для окисления 4110b и смешиваются с дополнительным топливом 4007, после чего смесь поступает в третье устройство для окисления 4110c, в котором процесс повторяется, и жидкая вода 4130 нагревается в третьем паровом змеевике 4120c, производя насыщенный пар 4105.
Для специалиста в данной области техники должно быть очевидным, что систему 4100 для нагревания текучей среды можно использовать в случае разнообразных переносящих тепло текучих сред. Например, можно использовать масло, чтобы поглощать тепло в одном или нескольких устройствах для окисления 4110a, 4110b и т.д. Раздельные потоки различных типов теплообменных текучих сред могут индивидуально поступать в одно или несколько устройства для окисления 4110a, 4110b и т.д. и предназначаться для раздельного использования внешними системами (не представленными на фиг. 4-2). Согласно определенным аспектам, можно соединять последовательно один или несколько теплообменных змеевиков 4120A, 4120B и т.д.
Частично охлажденные газообразные продукты 4035c направляются в экономайзер 4140, в котором тепло, содержащееся в газообразном продукте 4035c, повышает температуру недоохлажденного потока жидкой воды 4150 до температуры, несколько меньшей, чем температура насыщения воды. Охлажденные газообразные продукты 4035d выпускаются в атмосферу.
Несмотря на сходство с более общей конструкцией нагревателя текучей среды на фиг. 4-1, один отличительный признак системы 4100 представляет собой установку нагревающего текучую среду элемента, т.е. парового змеевика, в том же блоке, в котором находится устройство для постепенного окисления. Предпочтительные температурные интервалы и уровни содержания кислорода на выходе каждой стадии являются такими же, как в представленном выше варианте осуществления. Добавляется конечный блок утилизации тепла, т.е. экономайзер 4140, для заключительной обработки потока газообразного продукта, чтобы извлекать максимально возможное количество тепла из газов перед их выпуском в атмосферу. Паровые змеевики 4120a, 4120b, 4120c можно устанавливать в пористый керамический слой устройств для окисления 4110a, 4110b, 4110c или подвешивать над поверхностью слоя. Согласно определенным аспектам, дополнительная высота слоя или пористый частичный радиационный экран может добавляться между зоной постепенного окисления и зоной производства пара, способствуя обеспечению того, чтобы газы не охлаждались относительно холодными поверхностями паровых змеевиков 4120a, 4120b, 4120c до того, как завершаются реакции постепенного окисления.
Фиг. 4-3 представляет схематическое изображение одноступенчатой рекуперативной производящей пар системы 4200 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Воздух 4210 направляется на холодную сторону рекуператора 3045, где он принимает тепло и выходит как предварительно нагретый воздушный поток, с которым объединяется имеющий пониженное содержание кислорода рециркулирующий поток газообразного продукта 4225, в который добавляется низкоэнергетическое топливо 4220. Согласно определенным аспектам, низкоэнергетическое топливо 4220 включает высокоэнергетическое топливо. Согласно определенным аспектам, низкоэнергетическое или высокоэнергетическое топливо может смешиваться с воздухом 4210 перед поступлением в рекуператор 3045.
Смесь воздуха, топлива и разбавителя поступает в устройство для окисления 224, где топливо окисляется частью кислорода и производит тепло.
Поток жидкой воды 4230 нагревается в экономайзере 3055, и получается поток горячей воды, который направляется в паровой змеевик 4240. Часть тепла от окислительного процесса переносится посредством парового змеевика 4240 в горячую воду, и в результате этого образуется пар 4242 для полезного применения. Частично охлажденные газообразные продукты выходят из устройства для окисления 224 и разделяются на два потока. Часть газообразных продуктов направляется через рециркуляционный нагнетательный вентилятор 4245, из которого газообразные продукты выходят при несколько повышенном давлении и объединяются с потоком воздушно-топливной смеси, как описано выше. Оставшаяся часть газообразных продуктов проходит через экономайзер 3055, где отводится больше тепла, и в результате этого нагревается поступающая вода 4230, а охлажденные газообразные продукты затем проходят через горячую сторону рекуператора 3045, где отводится дополнительное тепло, и в результате этого нагревается поступающий воздух 4210, перед тем как полностью охлажденные газообразные продукты выпускаются в атмосферу.
p
2
2
2
Система 4200 предотвращает проскок пламени и взрыв предварительно приготовленной воздушно-топливной смеси посредством поддержания концентрации кислорода в смеси, поступающей в устройство для окисления 224, на уровне, составляющем менее чем 12% и предпочтительно менее чем 9%, посредством рециркуляции газообразных продуктов 4225. Рециркуляция обеспечивает, что в устройстве для окисления температура на впуске находится в интервале от 700 до 1300°F (от 371,1 до 704,4°C) и предпочтительно удельная теплоемкость до 1200°F (от 482,2 до 648,9°C). Кроме того, согласно данному варианту осуществления, посредством рециркуляции производится суммарная скорость потока горячего газа через устройство для окисления, которая превышает в 1,5-4,0 раза и предпочтительно в 2,0-3,0 раза скорость потока отработавшего газа. Повышенная скорость потока горячего газа обеспечивает установку теплопереносящей поверхности большей площади внутри устройства для окисления 224 и производство большего количества пара. Удельная теплоемкость (C) газового потока, который осуществляет теплоперенос в паровые змеевики, также составляет более чем удельная теплоемкость продуктов окисления, в которых содержится меньше CO, менее HO и больше O. Повышенная удельная теплоемкость приводит к увеличению возможности теплопереноса при постоянной разности температур между холодным и горячим потоками.
Система 4200 включает экономайзер 3055, который извлекает тепло от потока газообразного продукта посредством повышения температуры вода 4230 до уровня несколько ниже ее температуры кипения. Система 4200 также включает рекуператор 3045, который извлекает дополнительное тепло посредством предварительного нагревания используемого для горения воздуха перед тем, как он поступает в устройство для окисления 224. Данный рекуператор 3045 уменьшает или устраняет количество вспомогательного тепла, которое вводится, чтобы инициировать процесс постепенного окисления внутри устройства для окисления 224, а также уменьшается потеря тепла в отработавшем газе.
Фиг. 4-4 представляет схематическое изображение двухступенчатой производящей пар системы 4300 водотрубного типа согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Воздушно-топливная смесь 4005 поступает в нижний впуск устройства для окисления 4321. Воздушно-топливная смесь 4005 протекает через разбрызгивающее устройство 4322 и поступает в пористую среду 512, в которой происходит ступенчатое окисление, и все топливо окисляется частью кислорода. Часть 4315 горячих газообразных продуктов выходит из слоя 512 и проходит через паровые змеевики 4325, где тепло отводится из газа, в то время как меньшая часть 4314 горячего газа проходит через центральную зону, в которой отсутствуют паровые змеевик, и никакое тепло не отводится. Первые паровые змеевики 4325 расположены вокруг периметра камеры, таким образом, что газообразные продукты 4314, которые перемещаются вверх вблизи центральной оси камеры, будут сохранять высокую температуру и служить в качестве источника воспламенения для второй стадии ступенчатое окисление, которая осуществляется прямо в верхней секции.
Дополнительное низкоэнергетическое топливо или высокоэнергетическое топливо, содержащее разбавители 4220, впрыскивается в среднюю зону устройства для окисления 4321 и смешивается с газообразными продуктами 4315, образуя смесь окислителя, разбавителя и топлива 4316, которая поступает в имеющий форму перевернутого конуса разбрызгиватель 4324 через множество горизонтальных спиц, которые проходят через стенки конуса 4324. Эти спицы имеют множество отверстий для впрыскивания, чтобы распределять смесь 4316 практически равномерным образом. Часть горячего газа 4314 поступает в имеющий форму перевернутого конуса разбрызгиватель 4324 через отверстие в нижней части и своим действием инициирует ступенчатое окисление потоков смеси 4316, и в результате этого окисляется дополнительное топливо, и образуется содержащий меньше кислорода горячий поток продуктов 4317.
Поток продуктов 4317 направляется через паровые змеевики 4326, где тепло отводится от потока продуктов 4317, которые затем выходит из устройства для окисления 4321 в форме охлажденных газообразных продуктов 4318. Вода 4353 в близком к насыщению состоянии в каждый из паровых змеевиков 4325 и 4326 и выходит в форме потоков насыщенного пара 4354. Паровой генератор 4300 двухступенчатого устройства для постепенного окисления водотрубного типа установлен в единой камере и оборудован приспособлением для уменьшения перепада давления газа на второй стадии. Вертикальная камера включает первое устройство для постепенного окисления топлива и производит горячий газообразный поток продуктов, которые поступают далее в первый ряд паровых змеевиков (водяных трубок) для отвода тепла от потока продуктов.
Количество воды или пара, которое направляется в заключительные змеевики 4326, может быть больше, чем на предшествующих стадиях, чтобы отводить максимально возможное количество тепла от газового потока 4317 перед тем, как он выходит в атмосферу как отработавший газ 4318. Хотя оказывается желательным поддержание газообразного продукта при температуре выше 900°F (482,2°C), когда он выходит после первичной или промежуточной стадий (4316), падение температуры ниже 900°F (482,2°C) не представляет собой проблемы на самой последней стадии многоступенчатой системы, потому что отсутствует последующее устройство для постепенного окисления, для которого требуется температура, превышающая 900°F (482,2°C). Площадь поверхности производства и/или площадь поверхности любого экономайзера может быть насколько большой, насколько это желательно для достижения цели теплоотвода на заключительной стадии.
Фиг. 4-5 представляет схематическое изображение двухступенчатой производящей пар системы 4400 огнетрубного типа согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Воздушно-топливная смесь 4005 поступает в нижнюю зону разбрызгивающего устройства 4422. Воздушно-топливная смесь 4005 протекает через разбрызгивающее устройство 4422 и поступает в слой пористого керамического материала 512, в котором происходит ступенчатое окисление, и все топливо окисляется частью кислорода. Горячий газообразный продукт 4419 выходит из пористой среды 512 и поступает в огневые трубы 4425, где тепло отводится от газа окружающей водой 4451.
Дополнительное низкоэнергетическое или высокоэнергетическое топливо 4220 и необязательно разбавители (не представленные на чертеже) смешиваются с охлажденным потоком продуктов 4419, образуя смесь окислителя, разбавителя и топлива, которая поступает во второй разбрызгиватель 4426 и второй слой пористой среды 512, в котором дополнительный топливо окисляется, и образуется имеющий пониженное содержание кислорода горячий поток продуктов 4415, который направляется через огневые трубы 4429, где тепло отводится окружающей водой 4451. Охлажденные газообразные продукты 4415 собираются в пространстве 4430 и выходят из устройства для окисления как охлажденный отработавший газовый поток 4417. Две зоны постепенного окисления имеют изолированные стенки 4424, 4428, чтобы предотвращать избыточное охлаждение реагирующих газов, которое приводит к нежелательному гашению реакций постепенного окисления. Вода 4451 в недоохлажденном или близком к насыщению состоянии поступает в камеру устройства для постепенного окисления 4401 и выходит как насыщенный пар 4452. Согласно определенным аспектам, дополнительные нагревательные поверхности установлены для перегревания пара 4452 до температуры, значительно превышающей температуру кипения воды. Согласно определенным аспектам, вода 4451 находится под давлением, что приводит к повышению температуры насыщенного пара.
При уменьшении содержания кислорода в конечном отработавшем газовом потоке до уровня от 1,5 до 5,0% и одновременном уменьшении температуры выходящего газа до уровня от 250 до 400°F (от 121,1 до 204,4°C) суммарный коэффициент полезного действия цикла оценивается на уровне от 85 до 90%, что представляет собой улучшение по сравнению с традиционными паровыми генераторами, которые работают с коэффициентом полезного действия цикла на уровне от 80 до 86%. Увеличение коэффициентом полезного действия цикла соответствует уменьшению потребления топлива при одинаковом выходе полезного тепла.
При поддержании температуры постепенного окисления ниже приблизительно 2300°F (1260°C) и предпочтительно ниже 2000°F (1093°C) уменьшается образование термических оксидов азота. Традиционные горелки производят пламя, в котором максимальная температура реакции превышает 2300°F (1260°C), и образуется значительно большее количество оксидов азота, чем в процессе постепенного окисления.
Согласно определенным аспектам, электрические нагревательные элементы (не представленные на фиг. 4-5) расположены на впуске одной или обеих стадий устройства для окисления, чтобы способствовать инициированию окисления воздушно-топливной смеси 4005 или смеси окислителя, разбавителя и топлива в этом месте.
Согласно определенным аспектам, пористая керамическая среда 512 используется в уменьшенном количестве или не присутствует, и температура реакции может повышаться в открытом объеме. Кроме того, если пористая среда исключается, повышенная доля суммарного потока может распределяться в заключительный разбрызгиватель 4426.
Согласно определенным аспектам, внутреннее давление поддерживается на достаточно низком уровне, таким образом, что топливо может добавляться на каждой стадии с использованием только давления в линии, т.е. без устройства для повышения давления газа.
Согласно определенным аспектам, экономайзер или рекуператор (не представленный на фиг. 4-4 или 4-5) устанавливается, чтобы конденсировать влагу в процессе горения от газообразных продуктов, или, в качестве альтернативы, чтобы выводить воду в паровой фазе.
Согласно определенным аспектам, псевдоожиженный слой (не представленный на фиг. 4-4 или 4-5), аналогичный системе, представленной на фиг. 1-13, заменяет пористую среду 512, чтобы обеспечивать тепловую обратную связь и воспламенение в устройстве для окисления 4321, 4401, а чтобы увеличивать теплоперенос в паровые змеевики. Другие возможности включают рециркуляцию отработавшего газа, и структурированную среду, аналогичную системам, которые представлены на фиг. 1-15A и 1-16A/16B.
Фиг. 4-6 схематически представляет поток через систему для постепенного окисления 4600, имеющую разбрызгиватель, согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Процессы и элементы на фиг. 4-6 описаны по отношению к системе 4500 на фиг. 1-12, в которой осуществляются стадии 1-6, и которая представляет собой поступление потока, выходящего из точки A системы 4500. Согласно определенным аспектам, воздух 4602 и топливо 4220 смешиваются, например, с использованием смесителя, аналогичного смесителю 4510 системы 4500, и поступают на место точки A на фиг. 4-6. Газовая смесь, поступающая из точки A, проходит следующие технологические стадии:
7. Горячий газ, выходящий из нижней секции, разделяется на части 4315 и 4314, причем часть 4315 пропускается через теплообменник, такой как змеевики 4325 на фиг. 4-4, и часть тепла отводится от горячего газа, и в результате этого происходит охлаждение газа до температуры, близкой к температуре самовоспламенения. На данной стадии используется тепло, отводимое для производства водяного пара или испарения другой жидкости.
8. В данном примере, топливо 4220 впрыскивается в оба потока 4314 и 4315. Часть 4314 является достаточно горячей, чтобы инициировать ступенчатое окисление в частях, которые смешиваются на каждой стадии 4630.
Гибридные циклы и ступенчатое окисление
Фиг. 5-1 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления 5100, включающий производство пара и дополнительное впрыскивание топлива, согласно определенным аспектам настоящего изобретения. К компрессору 410 присоединяется вал, к которому также присоединяются турбина 414 и электрический генератор 416, как представлено выше на фиг. 1-9. Воздушно-топливная смесь 5102 поступает в компрессор 410, который направляет сжатую воздушно-топливная смесь 206f в теплообменник 418, в котором данная смесь 206f нагревается теплом отработавшего газа 420 от турбины. Горячая сжатая смесь 206g направляется в устройство для окисления 224. Согласно определенным аспектам, дополнительная воздушно-топливная смесь 5104 впрыскивается в устройство для окисления. Согласно определенным аспектам, воздушно-топливная смесь 5104 содержит только низкоэнергетическое или высокоэнергетическое топливо. Воздушно-топливные смеси 206g и 5104 постепенно окисляются в устройстве для окисления 224, и горячий отработавший газ 226 выпускается в турбину 414. При пропускании через турбину, энергия высвобождается из горячего отработавшего газа 226, и охлажденный расширенный отработавший газ 420 из турбины направляется обратно в теплообменник 418. После пропускания через теплообменник 418 отработавший газ 420 может по-прежнему содержать свободный кислород. Дополнительная воздушно-топливная смесь 5112 впрыскивается в отработавший газ 420 внутри канальной горелки 5110, чтобы повторно нагревать отработавший газ и производить горячий отработавший газ 5111, который затем проходит через теплообменник 422, в котором тепло переносится от горячего отработавшего газа 5111 к вода 430, и в результате этого производится пар 5108, который направляется на конечное использование (не представленное на фиг. 5-1). Охлажденный отработавший газ теперь выпускается как отработавший газовый поток 5106 в окружающую среду. Согласно определенным аспектам, воздушно-топливная смесь 5102, которая содержит только воздух и топливо, производится из воздушно-топливной смеси 5104.
Фиг. 5-2 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления 5200 включающий производство пара и комбинированное производство тепла и электроэнергии согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 5200 являются такими же, как элементы системы 5100, которая обсуждается выше, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 5-2. В системе 5200 производящие пар змеевики 5220 расположены в устройстве для окисления 224. Отвод тепла от окислительного процесса внутри устройства для окисления 224 уменьшает максимальную температуру реакции, и в результате этого уменьшается образование оксидов азота в процессе производства пара 5204. Воздушно-топливная смесь 5104 затем впрыскивается в охлажденный газ внутри устройства для окисления 224, которое расположено ниже по потоку относительно змеевиков 5220, и в результате этого обеспечивается дальнейшее горение, таким образом, что уменьшатся уровень содержания кислорода в отработавшем газе 226, который поступает в турбину 414. Это впрыскивание дополнительного топлива и дальнейшее горение, которое уменьшает содержание кислорода в отработавшем газе 226, увеличивает массовый поток через турбину 414, увеличивает удельную теплоемкость отработавшего газа 226 и уменьшает соотношение удельных теплоемкостей, и в результате этого увеличивается выходная мощность турбины 414. В системе 5200 исключается канальная горелка 5110, и при этом остается производство пара из змеевиков 5220. Поскольку змеевики 5220 работают при максимальной температуре, существующей в системе 5200, пар 5204 будет иметь более высокую температуру или давление, чем пар 5108, который производится в системе 5100.
Согласно определенным аспектам, пар 5230 впрыскивается в рабочую текучую среду внутри устройства для окисления 224. Впрыскивание пара в процессе постепенного окисления внутри устройства для окисления 224 может способствовать уменьшению выбросов и одновременное осуществление горения при близком к стехиометрическому воздушно-топливному соотношению. Согласно определенным аспектам, впрыскивание пара 5230 обеспечивает, что предварительно приготовленные воздушно-топливные смеси 206g оказываются ближе к стехиометрическому соотношению без выхода за пределы интервала воспламенения воздушно-топливной смеси 206g вследствие присутствия инертного водяного пара. Согласно определенным аспектам, пар впрыскивается таким образом, что создается поток вихревого типа внутри устройства для окисления 224, что дополнительно способствует процессу постепенного окисления. Согласно определенным аспектам, пар 5230 вводится через аксиальные трубы (не представленные на фиг. 5-2), имеющие радиальные отверстия и расположенные вокруг периметра устройства для окисления 224. Согласно определенным аспектам, пар 5204 из змеевиков 5220 возвращается как пар 5230, и, если пар 5204 находится при давлении, которое равняется или составляет более чем давление внутри устройства для окисления 224, существует меньше паразитных потерь энергии, потому что пар 5230 уже является сжатым.
Фиг. 5-3 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления 5300, включающей двойные компрессоры 410, 5308 с промежуточным охлаждением согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 5300 являются такими же, как элементы систем 5100 и 5200, которые обсуждаются выше, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 5-3. Использование промежуточного холодильника 5304 обеспечивает повышенное общее сжатие в компрессорах 410 и 5308, и в результате этого повышается эффективность системы 5300. Промежуточный холодильник 5304 охлаждает поток 5302, который дополнительно сжимается компрессором 5308. Пониженная температура внутри компрессора 5308 уменьшает величину термодинамической работы, т.е. мощности, которая используется для сжатия газа. Промежуточный холодильник обеспечивает, что поток в точке 5310 находится при меньшей температуре, чем температура, которая существовала бы при отсутствии промежуточного холодильника 5304. Это позволяет извлекать больше тепловой энергии в рекуператоре 418. Количество извлеченной энергии в рекуператоре 418 пропорционально разности между температурой отработавшим газом 420 из турбины и температурой на впуске 5310 рекуператора.
Фиг. 5-4 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления, включающей пусковое устройство для постепенного окисления согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 5400 являются такими же, как элементы систем 5100, 5200 и 5300, которые обсуждаются выше, и описание не повторяется по отношению к фиг. 5-4. Воздушно-топливная смесь 5102 поступает как поток нагретой и сжатой воздушно-топливной смеси 5408 во впуск устройства для окисления 224. Использование пускового устройства для окисления 5420 обеспечивает, что основное устройство для окисления 224 доводится до рабочей температуры, т.е. превышается температура самовоспламенения нагретой и сжатой воздушно-топливной смеси 5408 при уменьшении количества образующихся оксидов азота по сравнению с использованием традиционной камера сгорания, в которой сгорает высокоэнергетическое топливо в открытом пламени (см., например, фиг. 1-10). Пусковое устройство для окисления 5420 оборудовано впуском воздушно-топливной смеси 5428, которая, согласно определенным вариантам осуществления, сжимается нагнетательным вентилятором 5422. Горячие газообразные продукты горения, т.е. отработавшие газы направляются из выпуска пускового устройства для окисления 5420 во впуск устройства для окисления 224. Согласно определенным вариантам осуществления, отработавший газ из пускового устройства для окисления 5420 поступает в устройство для окисления 224 через тот же впуск, как нагретая и сжатая воздушно-топливная смесь 5408. Предусмотрен клапан 5426, чтобы закрывать эту пусковую подсистему, когда основное устройство для окисления 224 достигает рабочей температуры, и включается подсистема компрессора и турбины 410/414. В системе 5400 предусмотрены фильтры 5402 и 5424, чтобы отделять твердые частицы и другие нежелательные компоненты от воздушно-топливных смесей 5102 и 5428, соответственно.
Преимущества использования пускового устройства для постепенного окисления, которое представлено на фиг. 5-4, включают уменьшение выбросов регулируемых загрязняющих веществ, например, оксидов азота, в процессе пуска системы. Кроме того, допускается использование местного низкоэнергетического газа вместо обеспечения отдельного снабжения высокоэнергетическим топливом для пусковых систем сгорания.
Фиг. 5-5 представляет схематическое изображение примерной системы для постепенного окисления 5500, включающий множество точек 5504, 5510, 5516 и 5522 впрыскивания воды 430 согласно определенным аспектам настоящего изобретения. Многие элементы системы 5500 являются такими же, как элементы систем система 5100-5400, которые обсуждаются выше, и их описание не повторяется по отношению к фиг. 5-1-фиг. 5-4. Процессы, происходящие после каждой из точек впрыскивания 5504, 5510, 5516 и 5522, приводят к испарению некоторого количества воды во время ввода в газ, и при этом охлаждается выпускаемый технологический газовый поток за счет скрытой теплоты испарения впрыскиваемой воды. Впрыскивание воды может стратегически осуществляться только в отдельных точках или в сочетании с другими точками для впрыскивания воды.
Впрыскивание воды в точке 5504 можно использовать, чтобы снижать температуру входного потока, поступающего в компрессор 410. При снижении температуры на впусках увеличивается плотность текучей среды, поступающей в цикл газовой турбины, и увеличивается выходная мощность. При снижении температуры на впусках компрессора также уменьшается величина работы (мощности), которая используется, чтобы сжимать газ 5508, оставляя более высокую мощность на валу 412, которая используется, чтобы приводить в действие генератор 416.
Впрыскивание воды в точках 5510, 5516 и в теплообменник 418 увеличивать выходную мощность в цикле турбины. Сжатие жидкой воды, которое осуществляется, как правило, посредством насоса, может оказаться более эффективным, чем сжатие газовой смеси в компрессоре 410. Турбина 414 будет производить больше работы вследствие повышения величины массового потока отработавшего газа. В технике эти циклы иногда называются термином «влажные воздушные циклы». Система 5500 может, таким образом, использовать полезные эффекты впрыскивания воды в цикле и при этом не производить термические оксиды азота благодаря процессу в устройстве для постепенного окисления.
Впрыскивание и испарение воды в рекуператоре 418 может представлять собой больше, чем простые технологические преимущества термодинамического цикла, которые представлены в предшествующем абзаце. Рекуператор 418 естественным образом нагревается отработавшим газовым потоком 5526. Испарение воды можно увеличивать эффективный коэффициент теплопереноса потока от 5512 до 5514, и в результате этого обеспечиваются меньшие физические размеры теплообменника.
Другие варианты осуществления и способы впрыскивания вода можно также использовать в соответствии с описанием, представленным в настоящем документе. Например, другие системы и способы впрыскивания воды в систему для окисления описывает патентная заявка США №13/048796, поданная 15 марта 2011 г., которая во всей своей полноте включается в настоящий документ посредством ссылки в такой степени, насколько описание данной заявки не противоречит настоящему описанию.
2
2
Фиг. 5-6 представляет диаграмму 5600 состава газа, который представляет собой газ, выходящий из различных систем. Можно видеть, что традиционные газовые турбины, как правило, работают при содержании более чем приблизительно 9 масс. % остаточного свободного кислорода в отработавшем газовом потоке. Посредством использования технологий постепенного окисления в устройстве для окисления, представленном на фиг. 5-2 и фиг. 5-3, при одновременном производстве пара, содержание кислорода на выходе циклов устройств для окисления и газовых турбин будет ниже, составляя предпочтительно от 1,5 до 5%. Фиг. 5-6 показывает, что это значительно ниже интервала для традиционных газовых турбин. Следовательно, одновременное производство не содержащего загрязняющих веществ отработавшего газа и пара в устройстве для постепенного окисления в сочетании с паровым генератором, например, в системе 5200 на фиг. 5-2, представляет собой техническую новизну. Кроме того, как обсуждается выше в настоящем документе, снижение уровня содержания кислорода и повышение уровней содержания CO и HO являются выгодными для газовых турбин с циклом Брайтона (Brayton).
Управление системой для постепенного окисления можно осуществлять разнообразными способами. Согласно определенным аспектам, в способе обеспечения полного окисления изменяется продолжительность пребывания воздушно-топливной смеси внутри резервуара устройства для окисления. Согласно определенным аспектам, газовая турбина обеспечивает устройство для постепенного окисления, и эта турбина предназначается, чтобы изменять свою скорость вращения с использованием, например, переменной скорости генераторов и силовой электроники или инверторов, что является известным для специалистов в данной области техники. Согласно определенным аспектам, вентилятор подает воздушно-топливную смесь в устройство для окисления, например, как представлено на фиг. 2-1, и данный вентилятор работает от привода с переменной скоростью, причем при уменьшении скорости вентилятора увеличивается продолжительность пребывания внутри устройства для окисления.
Согласно некоторым вариантам осуществления, системы для окисления, которые описаны в настоящем документе, можно использовать в целях окисления топлива гибким, эффективным и чистым способом. Окислительные реакции, описанные в настоящем документе, предусматривают способы окисления отработавших материалов и предотвращения или сокращения до минимума возникающего в результате этого загрязнения воздуха. Например, способы и системы, в которых могут быть использованы окислительные реакции, представляют патентные заявки США №13/115910, поданная 25 мая 2011 г., и №13/115902, поданная 25 мая 2011 г., причем обе эти заявки включаются в настоящем документе посредством ссылки во всей своей полноте, насколько их описания не противоречат описаниям, представленным в настоящем документе.
Предшествующее описание представлено, чтобы обычный специалист в данной области техники имел возможность практически осуществлять разнообразные аспекты, которые описаны в настоящем документе. Хотя выше описано то, что рассматривается как наилучший вариант осуществления, и/или другие примеры, следует понимать, что разнообразные модификации этих аспектов являются вполне очевидными для специалистов в данной области техники, и общие принципы, которые определены в настоящем документе, могут распространяться и на другие аспекты. Кроме того, хотя разнообразные варианты осуществления описаны в различных разделах и параграфах и по отношению к различным чертежам, если не определены другие условия, разнообразные варианты осуществления могут быть объединены с другими описанными вариантами осуществления. Таким образом, формула изобретения не предназначена для ограничения аспектами, представленными в настоящем документе, но рассматривается как полный объем, соответствующий терминологии формуле изобретения, в которой упоминание элемента в единственном числе не ограничивается значением «один и только один», если не определены другие условия, но означает «один или более». Если не определены другие условия, термины «ряд» и «несколько» означают «один или более». Заголовки и подзаголовки, если они присутствуют, используются исключительно для удобства и не ограничивают настоящее изобретение.
Следует понимать, что конкретная последовательность или подчиненность стадий в описанных процессах представляет собой иллюстрацию примерных подходов. На основании проектных предпочтений, следует понимать, что конкретная последовательность или подчиненность стадий в процессах может быть перестроена. Некоторые из данных стадий можно осуществлять одновременно. Сопровождающая формула настоящего изобретения представляет элементы разнообразных стадий в примерной последовательности и не подразумевает ограничения конкретной представленной последовательностью или подчиненностью.
Такие термины, как «верхний», «нижний», «передний», «задний» и подобные термины, которые используются в настоящем описании, следует понимать как означающие произвольную систему координат, а не обычную гравитационную систему координат. Таким образом, верхняя поверхность, нижняя поверхность, передняя поверхность и задняя поверхность может проходить вверх, вниз, по диагонали или по горизонтали в гравитационной системе координат.
Такой термин, как «аспект», не подразумевает, что данный аспект является важным для технологии настоящего изобретения, или что данный аспект распространяется на все конфигурации технологии настоящего изобретения. Описание, которое относится к аспекту, может распространяться на все конфигурации или на одну или несколько конфигураций. Такой термин, как «аспект», может означать один или несколько аспектов, и наоборот. Такой термин, как «вариант осуществления», не подразумевает, что данный вариант осуществления является важным для технологии настоящего изобретения, или что данный вариант осуществления распространяется на все конфигурации технологии настоящего изобретения. Описание, которое относится к варианту осуществления, может распространяться на все варианты осуществления или на один или несколько вариантов осуществления. Такой термин, как «вариант осуществления», может означать один или несколько варианты осуществления, и наоборот.
Термин «примерный» используется в настоящем документе как означающий «служащий как пример или иллюстрация». Любой аспект или проект, описанный в настоящем документе как «примерный», не обязательно должен истолковываться как предпочтительный или преимущественный по отношению к другим аспектам или проектам.
При использовании в настоящем документе перечни, в которых указывается «по меньшей мере, один элемент из A, B и C» или «по меньшей мере, один из элементов A, B, или C», предназначаются для описания только A, только B, только C или любого сочетания A, B и C, включая все элементы A, B и C.
Все структурные и функциональные эквиваленты элементов разнообразных аспектов, которые представлены в описании настоящего изобретения, и которые являются известными или впоследствии становятся известными для обычных специалистов в данной области техники, определенно включаются в настоящий документ посредством ссылки и предназначаются для включения в формулу настоящего изобретения. Кроме того, ни один факт, описанный в настоящем документе, не предназначается в качестве всеобщего достояния, независимо от того, что соответствующее описание определенно представлено в формуле настоящего изобретения. Ни один элемент формулы настоящего изобретения не должен истолковываться в соответствии с положениями шестого абзаца параграфа 112 раздела 35 Свода законов США, если данный элемент не представлен определенным образом с использованием термина «приспособление для», или, в случае описывающего способ пункта формулы изобретения, элемент не представлен с использованием термина «стадия для». Кроме того, в том случае, если термин «включать», «иметь» или подобный термин используется в описании или формуле настоящего изобретения, такой термин предназначается как включительный, аналогично тому, как интерпретируется термин «содержать», когда он используется в качестве переходного термина в формуле настоящего изобретения.