專(zhuān)利名稱(chēng)：用來(lái)改進(jìn)燃燒性能的燃料脫氧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來(lái)說(shuō)涉及一種用來(lái)改進(jìn)燃燒的方法和裝置。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種使用脫氧器來(lái)除去溶解氧，使得能對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)熱，從而改進(jìn)燃燒性能的方法。
背景技術(shù)：
一種使用液烴燃料的能量轉(zhuǎn)換器可以從燃燒過(guò)程前對(duì)燃料進(jìn)行的預(yù)熱中得到好處。增加燃料的溫度可以通過(guò)減少燃料汽化所需的時(shí)間而使燃料的霧化和汽化特性得到改進(jìn)。汽化時(shí)間的減少可以使混合和燃燒時(shí)間減少。燃料在燃燒前的混合和汽化的改進(jìn)可以提高燃燒效率和火焰穩(wěn)定性，并且可以減少氧化氮、一氧化碳、未燃燒的碳?xì)浠衔锖臀⒘５呐懦觥４送?，?duì)燃料進(jìn)行加熱可以通過(guò)激發(fā)所需的裂化反應(yīng)而有利地改變?nèi)剂系某煞?。上述這些是碳?xì)淙剂系念A(yù)熱在燃燒過(guò)程中所能得到的效果和好處的實(shí)例。
不利的是，碳?xì)淙剂峡杀患訜岬臏囟仁艿椒Q(chēng)為“焦炭”的不溶產(chǎn)品的形成的限制。當(dāng)含氧氣的碳?xì)淙剂媳患訜岬侥硞€(gè)溫度(例如，350)以上時(shí)，就將出現(xiàn)這種不溶產(chǎn)品的形成。這種不溶產(chǎn)品將對(duì)燃料系統(tǒng)的多個(gè)部分產(chǎn)生不良的影響。焦炭沉積的形成取決于燃料內(nèi)的溶解氧的量，該溶解氧是由于燃料以前暴露在空氣中而產(chǎn)生的。迄今為止，在燃料中由于溶解氧而產(chǎn)生的不溶產(chǎn)品一直阻止燃料預(yù)熱到能有利地改進(jìn)燃燒過(guò)程的溫度。
已知將溶解氧從碳?xì)淙剂现谐タ梢燥@著地減少有害的不溶產(chǎn)品的形成。轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)人的美國(guó)專(zhuān)利6,315,815和6,709,492中公開(kāi)了使用透氣膜來(lái)除去溶解氧的裝置。當(dāng)燃料通過(guò)透氣膜時(shí)，燃料中的氧氣分子就穿過(guò)該透氣膜從燃料中擴(kuò)散出來(lái)。透氣膜兩側(cè)上的氧氣分壓差驅(qū)使氧氣離開(kāi)燃料，燃料不受影響并在膜上流過(guò)。
因此，期望研制出一種用于改進(jìn)燃燒過(guò)程的方法和裝置，該方法可以把溶解氧從燃料中除去，并且把燃料預(yù)熱到能有利地改進(jìn)燃燒的溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種使用燃料脫氧器來(lái)從碳?xì)淙剂现谐ト芙庋酰瑥亩倪M(jìn)燃燒的方法和裝置。
本發(fā)明的示例性方法和系統(tǒng)使用了一個(gè)燃料脫氧器來(lái)把所需量的溶解氧從碳?xì)淙剂现谐ァＨ缓髮⑻細(xì)淙剂霞訜岬揭粋€(gè)溫度，該溫度或是能使燃料汽化，或是能使液體燃料提高到一個(gè)可以改進(jìn)燃燒的溫度。將溶解氧從燃料中除去可以防止不溶物質(zhì)的形成，從而可以將燃料提高到不然不可能達(dá)到的溫度。
本發(fā)明的示例性方法和系統(tǒng)包括用來(lái)監(jiān)控燃料狀態(tài)的一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)氧氣傳感器。一個(gè)控制器與該溫度傳感器和氧氣傳感器相連通，用來(lái)響應(yīng)于所需燃燒特性而改變?nèi)剂厦撗跗鞯男阅堋Ｈ剂厦撗跗餍阅艿母淖兒驼{(diào)整響應(yīng)于變化的工作條件而提供了對(duì)燃燒過(guò)程的改變和調(diào)整。
因此，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)通過(guò)把燃料特性調(diào)整到所需的燃燒特性而改進(jìn)了燃燒過(guò)程。
本發(fā)明的上述和其他的特征通過(guò)下面的說(shuō)明連同參考附圖將能得到最清楚的理解，下面是對(duì)簡(jiǎn)圖的簡(jiǎn)單說(shuō)明。
附圖簡(jiǎn)介

圖1是本發(fā)明的示例系統(tǒng)的示意圖。
圖2是本發(fā)明的另一個(gè)示例系統(tǒng)的示意圖。
圖3是用來(lái)除去溶解氧的本發(fā)明的透氣膜的示意圖。
具體實(shí)施例方式
參看圖1，本發(fā)明的系統(tǒng)10包括一個(gè)燃燒器12和一個(gè)燃料脫氧器14。其中包括有一部分溶解氧的燃料22在起始溫度下進(jìn)入燃料脫氧器14內(nèi)。該起始溫度應(yīng)這樣設(shè)定，使得在燃料22內(nèi)具有給定量的溶解氧的條件下，將不會(huì)形成有害的不溶物質(zhì)或“焦炭”?？刂破?6接受來(lái)自溫度傳感器20和氧氣傳感器18的信息。溫度傳感器20提供燃料的溫度信息，該信息可用來(lái)決定應(yīng)該從燃料22中除去的溶解氧的量，以防止“焦炭”沉積物的形成。
在溶解氧從燃料22中除去以后，加熱器28就將熱量傳遞給燃料22，以便將燃料22的溫度升高到所需溫度?？諝?4和燃料22的混合可以在進(jìn)入燃燒器12以前或者在燃燒器12內(nèi)進(jìn)行。用示意圖示出的燃燒器12可以是在本技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員所知的任何結(jié)構(gòu)形式，例如一個(gè)在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)(它通常在飛機(jī)上使用)和發(fā)電設(shè)備中應(yīng)用的燃燒器，或者一個(gè)在往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)(它通常在汽車(chē)上使用)中的燃燒室。
通過(guò)使用脫氧器14將預(yù)定量的溶解氧從燃料22中除去來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)10的操作。脫氧后的燃料22從脫氧器14排出，并且進(jìn)入加熱器28內(nèi)。在加熱器28中，將燃料22的溫度提高到一個(gè)溫度，該溫度應(yīng)根據(jù)它能提供預(yù)定的燃燒特性而確定。燃料22的溫度可以用來(lái)改變排放成分以及在燃燒器內(nèi)的火焰穩(wěn)定性。此外，其他的特性例如燃燒溫度和混合時(shí)間等也可以通過(guò)調(diào)整燃料溫度來(lái)進(jìn)行改變和調(diào)節(jié)。
當(dāng)燃料溫度改變時(shí)，許可的溶解氧氣量也就改變。當(dāng)燃料溫度降低時(shí)，可以在燃料內(nèi)存在而不導(dǎo)致有害副產(chǎn)品產(chǎn)生的溶解氧的量增大。相反地，當(dāng)燃料溫度增加時(shí)，許可的溶解氧的量將減少。因此，控制器16可以這樣來(lái)控制脫氧器14，例如，通過(guò)控制透氣膜的真空側(cè)的壓力，或燃料的溫度，或燃料的流率來(lái)保證在燃料內(nèi)的溶解氧含量處于根據(jù)燃料溫度所給定的期望限度內(nèi)。
在燃料22內(nèi)的溶解氧的量可以通過(guò)氧氣傳感器18連續(xù)地進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)燃料脫氧器14和加熱器28的連續(xù)地監(jiān)控和調(diào)整將向燃燒器12提供燃料溫度和汽化水平的連續(xù)地修整。
可以將燃料22的溫度提高到可使一部分燃料汽化的溫度，以便改進(jìn)在燃燒器12內(nèi)的混合。如人們所知，液體燃料22在燃燒前的汽化可以改進(jìn)與燃燒所需要的空氣24的混合，而這種改進(jìn)又可使燃燒器內(nèi)的燃?xì)饣旌蠚獾狞c(diǎn)火和燃燒所需要的時(shí)間縮短。此外，燃料22在燃燒前的汽化和預(yù)混合可以減少諸如氧化氮、一氧化碳、未燃燒的碳?xì)浠衔锖臀⒘５呐懦觥Ａ硗?，至少一部分燃?2在點(diǎn)火前的汽化可以減少點(diǎn)火延遲時(shí)間，而這種減少反過(guò)來(lái)又在燃燒器12內(nèi)提供更好的火焰穩(wěn)定。這些改進(jìn)可供更簡(jiǎn)單的點(diǎn)火系統(tǒng)使用，并且可以減小對(duì)燃燒器12的尺寸要求。
參看圖2，圖中示意地示出了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)40，該燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括一個(gè)吸入空氣30的壓氣機(jī)42?？諝?0受到壓縮后被送到噴射器48和燃燒器46內(nèi)。噴射器48將燃料噴入燃燒器46內(nèi)。一部分空氣可以加入到噴射器內(nèi)，以便實(shí)現(xiàn)部分的預(yù)混合。燃燒器46使該空氣/燃料混合物點(diǎn)火，并且產(chǎn)生通過(guò)渦輪機(jī)44流動(dòng)的排氣流26。渦輪機(jī)44反過(guò)來(lái)又驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)42。
燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)40包括一個(gè)燃料脫氧器50和熱交換器52。燃料脫氧器50和熱交換器52協(xié)調(diào)一致地工作，以便在一種可使燃燒器46內(nèi)的燃燒達(dá)到最優(yōu)化的狀態(tài)下將燃料22供入噴射器48內(nèi)。除燃料脫氧器50和熱交換器52之外，燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)40還包括一個(gè)與燃燒器46、溫度傳感器56和氧氣傳感器58相連通的控制器54。可以將燃料22的溫度提高到其臨界點(diǎn)之上的某個(gè)溫度。超臨界流體噴入一個(gè)亞-或超臨界環(huán)境內(nèi)可使混合速度更快并且使散布角更大，這種情況與噴射氣體時(shí)所得到的結(jié)果相類(lèi)似。因而，該燃燒器可以在效率(形狀因子)更高，排出更少，以及穩(wěn)定性/排出容限增加的情況下工作。
燃燒器46在不同工作條件下可以具有不同的燃料溫度和汽化水平，從而能以最佳效率進(jìn)行工作。控制器54連續(xù)地調(diào)整提供給噴射器48的燃料溫度。燃料22是在對(duì)有害的副產(chǎn)品和焦炭的形成不利的溫度和壓力下進(jìn)入燃料脫氧器50的。燃料從燃料脫氧器50排出以后，它包括大為減少的溶解氧。由于燃料22不再包括大量的溶解氧，它可以在熱交換器52內(nèi)被加熱到比那些可引起和產(chǎn)生不溶物質(zhì)和焦炭的溫度更高的溫度。
一般的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料成分加熱到400以上的溫度時(shí)將引起焦炭和其他有害的不溶物質(zhì)的形成。因此，這種噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料不能加熱到該溫度以上，以防止產(chǎn)生有害量級(jí)的不溶物質(zhì)。然而，在把大量的溶解氧除去以后，就可以把燃料加熱到400以上的溫度。
將燃料加熱到“焦炭”溫度以上將形成燃料的汽化，從而可以使用噴射器48改進(jìn)與空氣30的混合。改進(jìn)后的混合通過(guò)提供更加穩(wěn)定和快速的點(diǎn)火以及碳?xì)淙剂系耐耆紵倪M(jìn)了燃燒過(guò)程。此外，燃料的汽化除了火焰穩(wěn)定性/稀排出容限改進(jìn)以外，還便于在燃燒器46內(nèi)形成更加均勻和有效地分布的能量釋放。較好的預(yù)混合和較少的汽化時(shí)間可以提高燃燒效率以及減少氧化氮、一氧化碳、未燃燒的碳?xì)浠衔锖臀⒘５呐懦?。此外，燃料加熱還可以減少點(diǎn)火延遲時(shí)間，而該時(shí)間的減少反過(guò)來(lái)又可使火焰更穩(wěn)定，點(diǎn)火系統(tǒng)更簡(jiǎn)單，并且可以減小燃燒器的尺寸。
在工作過(guò)程中，控制器54通過(guò)燃料脫氧器50連續(xù)地調(diào)整從燃料22中除去的溶解氧的量。該溶解氧的量應(yīng)根據(jù)所需的燃燒特性確定。該燃燒特性可以包括在燃燒器46內(nèi)的燃料的預(yù)混合或汽化的水平，或者還可以包括從燃燒器46排出的某些排出物的水平?？刂破?4可以調(diào)整提供給噴射器48的特定燃料溫度。該特定燃料溫度可以這樣進(jìn)行調(diào)整，使得熱交換器52能夠?qū)⑷剂霞訜岬皆摐囟炔⑶也粫?huì)產(chǎn)生有害的不溶物質(zhì)和焦炭。
參看圖3，圖中示出了設(shè)置在燃料脫氧器50內(nèi)的透氣膜60的一個(gè)實(shí)施例。燃料22通過(guò)由幾個(gè)透氣膜60形成的壁構(gòu)成的一條通道流動(dòng)。透氣膜60由粘附在多孔底層64上的滲透層62組成。滲透層62和多孔底層64支承在多孔基體66上。真空源70抽取透氣膜60兩側(cè)上的氧氣分壓差，使得溶解氧68連續(xù)地從燃料22中抽出。然后，就將溶解氧向外排出，或者排出到可以應(yīng)用該溶解氧的其他裝置中。
多孔底層64為滲透層62提供了所需的支承結(jié)構(gòu)，同時(shí)還允許從燃料產(chǎn)生最大的氧擴(kuò)散。滲透層62覆蓋在多孔底層64上，并且在它們之間形成有一個(gè)機(jī)械結(jié)合。滲透層62優(yōu)選地是覆蓋在一個(gè)0.005英寸厚的具有0.25微米的氣孔尺寸的聚醚酰亞胺(PEI)多孔底層64上的0.5-20微米厚度的特氟隆(Teflon)AF2400鍍層。如人們所知，不同材料厚度和氣孔尺寸的不同支承可以用來(lái)提供必要的強(qiáng)度和通暢性。滲透層62是杜邦公司的特氟隆AF非晶體含氟聚合物(DupontTeflon AF Amorphous Fluoropolymer)，但是，為本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知的其他材料也在本發(fā)明的考慮范圍之內(nèi)，例如，Solvay公司的Hyflon AD全氟化玻璃態(tài)聚合物，以及Asahi公司的玻璃CYTOP，聚全氟丁烯基乙烯醚等。每個(gè)合成的透氣膜都支承在多孔基體66上。多孔基體66與真空源70相連通，以建立透氣膜60兩側(cè)上期望和要求的氧氣分壓差。控制器54可以對(duì)該氧氣分壓差進(jìn)行調(diào)整，從而調(diào)整了可以從燃料中除去的氧氣量。
雖然上面已經(jīng)說(shuō)明了本發(fā)明的透氣膜的一個(gè)實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)指出，為本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所知的其他透氣膜和結(jié)構(gòu)也在本發(fā)明的考慮范圍內(nèi)。
因此，本發(fā)明使用了一個(gè)具有透氣膜的燃料脫氧器來(lái)將燃料中的溶解氧除去，從而通過(guò)可使進(jìn)入燃燒器的燃料提高溫度而改進(jìn)了燃燒過(guò)程。把燃料加熱到某個(gè)溫度(在該加熱溫度下，如不先將燃料中的溶解氧除去，燃料將產(chǎn)生有害的不溶副產(chǎn)品)以上的溫度，就可以提供碳?xì)淙剂系母倪M(jìn)的燃燒。
雖然上面已經(jīng)公開(kāi)了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的范圍內(nèi)可以對(duì)它做出某些修改。為此，應(yīng)當(dāng)認(rèn)真研究下面的權(quán)利要求書(shū)，以確定本發(fā)明的真實(shí)范圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種控制燃燒過(guò)程的方法，包括以下步驟a)將溶解氧從第一溫度下的燃料中除去；b)在燃料進(jìn)入燃燒器中以前，將燃料加熱到一個(gè)所需溫度，其中所述所需溫度高于所述第一溫度；以及c)相對(duì)于所選擇的燃燒特性來(lái)控制被除去溶解氧的量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述燃燒特性包括從燃燒器排出的物質(zhì)的量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟c)包括根據(jù)燃料的所需溫度控制從燃料中除去的溶解氧的量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟b)包括至少使一部分燃料進(jìn)入超臨界狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟a)包括將一定量的溶解氧從燃料中除去，以防止響應(yīng)于碳?xì)淙剂系乃铚囟榷纬捎泻Φ牟蝗芨碑a(chǎn)品。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括監(jiān)控在燃料中的溶解氧含量，以及根據(jù)所監(jiān)控的溶解氧含量調(diào)整脫氧器，以便獲得所需的溶解氧含量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括調(diào)整脫氧器的工作溫度，以改變從燃料中除去的溶解氧的量。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，還包括調(diào)整脫氧器的氧氣分壓差，以改變從燃料中除去的溶解氧的量。
9.一種用于能量轉(zhuǎn)換器的燃料系統(tǒng)，包括一個(gè)用來(lái)從燃料中提取能量的燃燒器；一個(gè)用來(lái)在燃料進(jìn)入所述燃燒器中以前對(duì)該燃料進(jìn)行加熱的加熱器；以及一個(gè)用來(lái)在對(duì)燃料進(jìn)行加熱以前將溶解氧從燃料中除去的燃料脫氧器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，還包括一個(gè)用來(lái)控制所述燃料脫氧器以便調(diào)整所需燃燒特性的控制器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器響應(yīng)于所述燃燒器內(nèi)要求的所需燃料溫度來(lái)調(diào)整通過(guò)燃料脫氧器除去的溶解氧的量。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中，溶解氧的除去量將隨著進(jìn)入燃燒器的燃料的所需溫度而這樣增加，使得從燃料中除去的溶解氧量保持在能基本上防止不溶物質(zhì)產(chǎn)生的水平上。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，在燃料進(jìn)入所述燃燒器以前，至少使一部分燃料進(jìn)入超臨界狀態(tài)。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述燃燒器構(gòu)成燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分。
15.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中，所述燃料脫氧器包括透氣膜，以及在所述透氣膜兩側(cè)用來(lái)從燃料中抽取氧氣的氧氣分壓差。
全文摘要
本發(fā)明的方法和裝置包括一個(gè)燃料脫氧器和一個(gè)加熱器，該脫氧器用來(lái)從燃料中除去溶解氧，然后該加熱器再將該燃料加熱到某個(gè)溫度以上，在該加熱溫度下，如不先將碳?xì)淙剂现械娜芙庋醭ィ瑢?huì)從該燃料中產(chǎn)生有害的不溶物質(zhì)。該燃料溫度和從燃料中除去的溶解氧的量都可以根據(jù)燃燒過(guò)程和所需的燃燒特性的最優(yōu)化來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
文檔編號(hào)B01D53/22GK1899661SQ200610094059
公開(kāi)日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者L·斯帕達(dá)茨尼, C·福塔徹 申請(qǐng)人:聯(lián)合工藝公司