專利名稱：催化燃燒體系的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及催化燃燒。
背景技術(shù)：
已開發(fā)出催化燃燒氣體的渦輪機(jī)(turbine)體系替代常規(guī)的工業(yè)氣體渦輪機(jī)，其燃燒天然氣，但具有超低的NOx釋放。這種渦輪機(jī)的特征之一是由于高的入口溫度(＞850℃)導(dǎo)致要求在渦輪機(jī)的入口處冷卻，所述高的入口溫度來自于高濃度甲烷的燃燒。通過將來自壓縮機(jī)排出管的大量空氣旁接到渦輪機(jī)入口和渦輪機(jī)的第一分段裝置(stage)內(nèi)來實(shí)現(xiàn)這種冷卻。然而，若空氣含有甲烷，則會導(dǎo)致大量未燃燒的甲烷流過渦輪機(jī)并進(jìn)入大氣內(nèi)。這不僅沒有充分利用甲烷，而且破壞環(huán)境和浪費(fèi)能源。
催化燃燒渦輪機(jī)體系的另一應(yīng)用是由廢氣發(fā)電，所述廢氣具有比天然氣低的甲烷濃度。然而，以前的這種嘗試具有數(shù)種難度必須注射支持燃料(例如天然氣)到催化燃燒器內(nèi)以維持有效的燃燒，不能有效地處理甲烷小于2mol％的氣流，必須過度提高氣流的壓力，從而降低體系總的電輸出量，和難以控制在燃燒器的出口處的氣體溫度在低于800℃的恒定數(shù)值下，以便不要求在渦輪機(jī)入口處的冷卻，和具有處理廢氣的問題，所述廢氣就其本性來說具有波動的組成。
發(fā)明概述因此，在本發(fā)明的一個實(shí)施方案中，希望提供一種催化燃燒的氣體渦輪機(jī)體系，它利用具有基本上恒定和低濃度燃料的氣體。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種體系，該體系用于提供燃料以驅(qū)動催化燃燒氣體的渦輪機(jī)體系，其中提供燃料的該體系包括混合器，具有出口流體和至少兩種入口流體以及壓縮機(jī)，具有入口流體，混合器的出口流體連接至壓縮機(jī)的入口流體，其中在體系的操作過程中，控制所述至少兩種入口流體，以便混合器的出口流體隨時間流逝具有基本上恒定的組成。
優(yōu)選地，混合器的出口流體具有低濃度的烴。
優(yōu)選地，混合器的出口流體基本上是氣體。
優(yōu)選地，混合器的出口流體具有低濃度的甲烷。
優(yōu)選地，出口流體具有0.5-1.5mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，出口流體具有約1mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，在混合器的所述至少兩種入口流體中，至少一種入口流體具有非常低濃度的甲烷和至少一種其它的入口流體具有高濃度的甲烷。
優(yōu)選地，在混合器的所述至少兩種入口流體中，至少一種入口流體具有0-1.5mol％的甲烷濃度和至少一種其它的入口流體具有超過20mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，混合器的操作溫度為約20℃。
優(yōu)選地，混合器的操作壓力為約常壓。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的壓縮比為約2。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)具有壓力小于3.5bar(絕對)的出口流體。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的出口流體的壓力為約2bar(絕對)。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的出口流體的溫度為100-200℃。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)是軸向流動的壓縮機(jī)。
或者，壓縮機(jī)是徑向流動的壓縮機(jī)。
優(yōu)選地，混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種是來自煤礦通風(fēng)(ventilation)空氣的流體，其具有非常低的甲烷濃度。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括第一洗滌器，該第一洗滌器具有入口流體和氣體出口流體，所述氣體出口流體連接至混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種，和入口流體是通風(fēng)空氣的流體，其中該第一洗滌器經(jīng)固體出口流體從通風(fēng)空氣中除去顆粒。
優(yōu)選地，第一洗滌器包括濕法洗滌器和過濾器。
優(yōu)選地，第一洗滌器除去直徑大于和等于0.5微米的顆粒。
優(yōu)選地，洗滌器還經(jīng)硫出口流體除去硫化合物。
優(yōu)選地，第一洗滌器除去硫化合物，以便在氣體出口流體中硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm。
優(yōu)選地，混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種其它的流體是煤礦排放(drainage)氣體的流體。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括第二洗滌器，該第二洗滌器具有入口流體和氣體出口流體，所述氣體出口流體連接至混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種其它的流體，和入口流體是煤礦排放氣體的流體，其中該第二洗滌器經(jīng)固體出口流體從排放氣體中除去顆粒。
優(yōu)選地，第二洗滌器包括濕法洗滌器和過濾器。
優(yōu)選地，第二洗滌器除去直徑大于和等于0.5微米的顆粒。
優(yōu)選地，洗滌器還經(jīng)硫出口流體除去硫化合物。
優(yōu)選地，第二洗滌器除去硫化合物，以便在氣體出口流體中硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括儲罐，所述儲罐具有連接至壓縮機(jī)的入口流體的出口流體，和在該體系的操作過程中，所述儲罐的出口流體隨時間流逝具有基本上恒定的組成，其中儲罐儲存充足的流體，以緩沖儲罐的至少一種入口流體在組成上的波動。
優(yōu)選地，儲罐儲存氣體。
優(yōu)選地，混合器的出口流體連接至儲罐的至少一種入口流體，其中混合器和儲罐是獨(dú)立的單元。
或者，混合器足夠大到充當(dāng)儲罐。
優(yōu)選地，儲罐的操作溫度為約20℃。
優(yōu)選地，儲罐的操作壓力為約常壓。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種體系，它包括具有入口流體和出口流體的壓縮機(jī)，具有工藝(process)入口流體和工藝出口流體的預(yù)熱器，具有入口流體和出口流體且含有催化劑的催化燃燒器，和具有入口流體和出口流體的渦輪機(jī)，其中壓縮機(jī)的出口流體連接至預(yù)熱器的工藝入口流體，預(yù)熱器的工藝出口流體連接至催化燃燒器的入口流體，和催化燃燒器的出口流體連接至渦輪機(jī)的入口流體，和其中在該體系的操作過程中，壓縮機(jī)的入口流體具有基本上恒定和低濃度的燃料。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的入口流體具有低濃度的烴。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的入口流體基本上是氣體。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的入口流體具有低濃度的甲烷。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的入口流體具有0.5-1.5mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的入口流體具有約1mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的入口流體具有約20℃的溫度。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的入口流體具有接近常壓的壓力。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括混合器，所述混合器具有連接至壓縮機(jī)的入口流體的出口流體，其中在該體系的操作過程中，控制至混合器的至少兩種入口流體，以便出口流體具有基本上恒定和低濃度的燃料。
優(yōu)選地，在混合器的所述至少兩種入口流體中，至少一種入口流體具有非常低濃度的甲烷和至少一種其它的入口流體具有高濃度的甲烷。
優(yōu)選地，在混合器的所述至少兩種入口流體中，至少一種入口流體具有0-1.5mol％的甲烷濃度和至少一種其它的入口流體具有超過20mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的壓縮比為約2。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的出口流體具有小于3.5bar的壓力(絕對)。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的出口流體具有約2bar的壓力(絕對)。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)的出口流體的溫度為100-200℃。
優(yōu)選地，壓縮機(jī)是軸向流動的壓縮機(jī)。
或者，壓縮機(jī)是徑向流動的壓縮機(jī)。
優(yōu)選地，混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種是來自煤礦的通風(fēng)空氣流體。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括第一洗滌器，所述第一洗滌器具有入口流體和氣體出口流體，氣體出口流體連接至混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種，和入口流體是通風(fēng)空氣流體，其中第一洗滌器經(jīng)固體出口流體從通風(fēng)空氣中除去直徑大于和等于0.50微米的顆粒，并且第一洗滌器還經(jīng)硫出口流體從通風(fēng)空氣中除去硫化合物，以便在氣體出口流體中硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm。
或者，可在混合器和壓縮機(jī)之間連接第一洗滌器。
優(yōu)選地，混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種其它的流體是煤礦排放氣體的流體。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括第二洗滌器，所述第二洗滌器具有入口流體和氣體出口流體，氣體出口流體連接至混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種，和入口流體是煤礦排放氣體的流體，其中第二洗滌器經(jīng)固體出口流體從通風(fēng)空氣中除去直徑大于和等于0.50微米的顆粒，并且第二洗滌器還經(jīng)硫出口流體從通風(fēng)空氣中除去硫化合物，以便在氣體出口流體中硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括儲罐，所述儲罐具有連接至壓縮機(jī)的入口流體的出口流體，和在該體系的操作過程中，儲罐的出口流體隨時間流逝具有基本上恒定的組成，其中儲罐儲存充足的流體，以緩沖至儲罐的至少一種入口流體在組成上的波動。
優(yōu)選地，儲罐儲存氣體。
優(yōu)選地，混合器的出口流體連接至儲罐的至少一種入口流體，其中混合器和儲罐是獨(dú)立的單元。
或者，混合器足夠大到充當(dāng)儲罐。
優(yōu)選地，儲罐的操作溫度為約20℃。
優(yōu)選地，儲罐的操作壓力為約常壓。
優(yōu)選地，預(yù)熱器的工藝出口流體具有475-535℃的溫度。
優(yōu)選地，在預(yù)熱器上具有非常低的壓降，以便工藝出口流體的壓力基本上與工藝入口流體的壓力相同。
優(yōu)選地，催化燃燒器具有適中的空速和低的壓降。
優(yōu)選地，催化燃燒器含有催化劑，所述催化劑具有高的活性和高的反應(yīng)表面積。
優(yōu)選地，催化劑的活性為50-200×10-7mol/(m2s)。
優(yōu)選地，催化劑的反應(yīng)表面積為20-40m2/cm3。
在整個說明書中，術(shù)語“活性”應(yīng)理解為是指甲烷的氧化速度。
優(yōu)選地，催化燃燒器是蜂窩狀整料(monolith)反應(yīng)器。
優(yōu)選地，在催化燃燒器中使用的催化劑是貴金屬催化劑。
優(yōu)選地，在催化燃燒器中使用的催化劑是鈀、鉑或銠中的至少一種。
優(yōu)選地，整料是陶瓷，它充當(dāng)貴金屬催化劑位于其上的賤金屬的洗涂層(wash coat)漿料用基底。
優(yōu)選地，催化燃燒器具有950℃的最大連續(xù)床使用溫度。
優(yōu)選地，催化燃燒器的出口流體具有不大于800℃的溫度。
優(yōu)選地，催化燃燒器具有大于99％的燃燒效率。
優(yōu)選地，在催化燃燒器上具有非常低的壓降，以便出口流體的壓力基本上與入口流體的壓力相同。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)的入口流體具有小于800℃的溫度。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)的入口流體具有約780℃的溫度。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)的出口流體具有約630℃的溫度。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)的出口流體具有略高于常壓的壓力。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)不要求來自壓縮機(jī)的出口流體中的冷卻空氣來冷卻渦輪機(jī)的入口渦管和第一分段裝置。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)具有冷卻油用于冷卻傳動軸和軸承。
優(yōu)選地，渦輪機(jī)是軸向流動渦輪機(jī)。
或者，渦輪機(jī)是徑向流動渦輪機(jī)。
優(yōu)選地，使用渦輪機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括連接至渦輪機(jī)的發(fā)電機(jī)，其中發(fā)電機(jī)將渦輪機(jī)產(chǎn)生的軸功轉(zhuǎn)化成電能。
或者，渦輪機(jī)包括基于分軸循環(huán)的兩個渦輪機(jī)，以便第一個渦輪機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)，和第二個渦輪機(jī)連接至發(fā)電機(jī)。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括換熱器(recuperator)，以回收在渦輪機(jī)的出口內(nèi)的一些能量。
優(yōu)選地，換熱器和預(yù)熱器形成單一的整體單元，其中預(yù)熱器具有加熱入口流體和加熱出口流體，加熱入口流體連接至渦輪機(jī)的出口流體，以便渦輪機(jī)的出口流體用于加熱壓縮機(jī)的出口流體。
優(yōu)選地，預(yù)熱器是塔板換熱器。
或者，預(yù)熱器是片管換熱器。
或者，預(yù)熱器和換熱器是獨(dú)立的單元，以便壓縮機(jī)的出口流體在預(yù)熱器內(nèi)通過加熱設(shè)備，而不是使用渦輪機(jī)的出口流體加熱。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括熱量回收鍋爐，所述鍋爐具有連接至預(yù)熱器的加熱出口流體的入口流體，其中在使用過程中，使鍋爐適合于回收來自渦輪機(jī)出口流體中的能量。
優(yōu)選地，體系進(jìn)一步包括具有入口流體、出口流體和啟動燃料流體的預(yù)燃燒器，入口流體連接至預(yù)熱器的工藝出口流體，和出口流體連接至催化燃燒器的入口流體，其中在鍋爐的啟動過程中和在低負(fù)荷的操作過程中，使用預(yù)燃燒器，燃燒啟動燃料流體。
優(yōu)選地，啟動燃料是烴。
優(yōu)選地，啟動燃料是液體石油氣。
優(yōu)選地，在體系的正常操作過程中，啟動燃料流體的流速為0，和預(yù)熱器的工藝出口流體未反應(yīng)地流經(jīng)預(yù)燃燒器。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供產(chǎn)生具有基本上恒定和低濃度燃料的氣體的方法，該方法包括下述步驟規(guī)定在混合器的出口流體內(nèi)燃料的所需濃度，在混合器內(nèi)混合具有非常低燃料濃度的至少一種流體與具有高燃料濃度的至少一種流體，和控制具有高燃料濃度的至少一種流體的流速，滿足在混合器的出口流體內(nèi)所需的燃料濃度。
優(yōu)選地，燃料是烴燃料。
優(yōu)選地，燃料是甲烷。
優(yōu)選地，甲烷的所需濃度是0.5-1.5mol％。
優(yōu)選地，甲烷的所需濃度是約1mol％。
優(yōu)選地，具有非常低燃料濃度的至少一種流體具有0-1.5mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，具有高燃料濃度的至少一種流體具有超過20mol％的甲烷濃度。
優(yōu)選地，具有非常低燃料濃度的至少一種流體是來自煤礦的通風(fēng)空氣的流體。
優(yōu)選地，具有高燃料濃度的至少一種流體是煤礦排放氣體的流體。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括使用第一洗滌器，洗滌通風(fēng)空氣以除去顆粒的步驟。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括使用第一洗滌器，洗滌通風(fēng)空氣以除去直徑大于和等于0.50微米顆粒的步驟。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括使用第一洗滌器，洗滌通風(fēng)空氣以除去硫化合物的步驟。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括下述使用第一洗滌器，洗滌通風(fēng)空氣以除去硫化合物的步驟，以便第一洗滌器具有硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm的氣體出口流體。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括使用第二洗滌器，洗滌煤礦排放氣體以除去顆粒的步驟。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括使用第一洗滌器，洗滌煤礦排放氣體以除去直徑大于和等于0.50微米顆粒的步驟。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括使用第二洗滌器，洗滌煤礦排放氣體以除去硫化合物的步驟。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括下述使用第二洗滌器，洗滌煤礦排放氣體以除去硫化合物的步驟，以便第二洗滌器具有硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm的氣體出口流體。
優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括在儲罐內(nèi)儲存氣體的步驟。
優(yōu)選地，混合器足夠大到充當(dāng)儲罐。
或者，混合器的出口流體連接至儲罐的入口流體，其中混合器和儲罐是獨(dú)立的單元。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供發(fā)電的方法，該方法包括下述步驟混合至少兩種氣體流體，產(chǎn)生具有基本上恒定和低燃料濃度的工藝氣體流體，然后，壓縮該工藝氣體流體，預(yù)熱該工藝氣體流體，在催化劑存在下使該工藝氣體流體燃燒，在渦輪機(jī)內(nèi)使該工藝氣體流體膨脹，產(chǎn)生軸功，使用發(fā)電機(jī)，將渦輪機(jī)的軸功轉(zhuǎn)化成電。
優(yōu)選地，混合所述至少兩種氣體流體的步驟包括根據(jù)本發(fā)明的第三方面產(chǎn)生具有低濃度燃料的氣體的方法。
優(yōu)選地，工藝氣體流體被壓縮到1.5-3.5bar(絕對)。
優(yōu)選地，工藝氣體流體被壓縮到約2bar(絕對)。
優(yōu)選地，工藝氣體流體被預(yù)熱到475-535℃。
優(yōu)選地，催化劑是貴金屬催化劑。
優(yōu)選地，催化劑是鈀、鉑或銠中的至少一種。
優(yōu)選地，催化劑位于陶瓷整料上，它充當(dāng)賤金屬的洗涂層漿料用基底。
優(yōu)選地，流體包括在導(dǎo)管內(nèi)的流體。
措辭“包括，具有，含有”應(yīng)當(dāng)以包括的意義解釋，這意味著也可添加額外的特征。
可相對于以上所述和在下述權(quán)利要求的描述中定義的發(fā)明作出變化和改性。
附圖簡述在參考附圖的基礎(chǔ)上，僅僅通過實(shí)施例描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，其中

圖1是催化燃燒氣體的渦輪機(jī)體系的方框圖。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)說明參考圖1，催化燃燒氣體的渦輪機(jī)體系的優(yōu)選實(shí)施方案包括壓縮機(jī)10、換熱器11、預(yù)燃燒器12、催化燃燒器13、渦輪機(jī)14、發(fā)電機(jī)15、混合器16和第一洗滌器17與第二洗滌器18，從而形成可用約1mol％甲烷(最大1.5mol％，最小0.5mol％)驅(qū)動的發(fā)電體系。
該體系主要由來自煤礦21的通風(fēng)空氣內(nèi)的甲烷驅(qū)動。通風(fēng)空氣在第一洗滌器17內(nèi)洗滌，除去直徑大于和等于0.50微米的灰塵顆粒。第一洗滌器17還除去硫化氫和二氧化硫，以便這些化合物的濃度不超過該體系內(nèi)的最大可允許濃度，所述最大可允許濃度是10ppm的硫化氫和5ppm的二氧化碳。超過最大可允許濃度可導(dǎo)致體系組件的結(jié)垢和催化燃燒器內(nèi)催化劑的失活。
通風(fēng)空氣已在第一洗滌器17內(nèi)洗滌之后經(jīng)第一入口22進(jìn)入混合器16內(nèi)。由于在通風(fēng)空氣21內(nèi)的甲烷濃度可在0至1.5mol％間變化，需要將它與另一氣體混合，以便提供給壓縮機(jī)10隨時間流逝具有幾乎恒定甲烷濃度的氣體。這使用煤礦排放氣體20來實(shí)現(xiàn)，所述煤礦排放氣體20也在第二洗滌器18內(nèi)經(jīng)歷類似的洗滌操作。在排放氣體20經(jīng)第二入口23進(jìn)入混合器16內(nèi)之前，第二洗滌器18除去灰塵顆粒和硫化氫與二氧化硫到與第一洗滌器17相同的水平，排放氣體具有超過20mol％的甲烷濃度。
混合器16在約20℃和大氣壓下操作?？刂婆c通風(fēng)空氣21混合的排放氣體20的用量，以便在混合器的出口24處，在氣體內(nèi)的甲烷濃度通常隨時間流逝恒定。
體系進(jìn)一步包括連接至混合器的出口24的儲罐(未示出)。在約20℃和大氣壓下，儲罐儲存大量的混合氣體。儲罐的目的是緩沖體系的下游組分，避免混合器16的出口24中氣體內(nèi)甲烷濃度的可能波動。
氣體從儲罐出口流動到壓縮機(jī)10的入口25中，壓縮機(jī)10的壓縮比為約2。這意味著在壓縮機(jī)10的出口26處的氣體壓力為約2bar。為了有效地操作該體系，在壓縮機(jī)10的出口26處的壓力應(yīng)當(dāng)不大于3.5bar。壓縮機(jī)10可以是或者軸向流動壓縮機(jī)或者是徑向流動壓縮機(jī)。在壓縮機(jī)10的出口26處的氣體溫度為100-200℃。
氣體從壓縮機(jī)10的出口26流動到換熱器11的主入口27中。換熱器加熱氣體，以便在換熱器11的主出口28處，氣體溫度介于475至535℃。換熱器11在橫跨主入口27和主出口28中以非常低的壓降操作，結(jié)果主出口28的壓力非常類似于主入口27的壓力。盡管可使用任何加熱設(shè)備加熱在換熱器11內(nèi)的氣體，用于有效利用能源，但本發(fā)明利用經(jīng)出口35流出渦輪機(jī)14的氣體。該氣體經(jīng)輔助入口36進(jìn)入換熱器11，在經(jīng)輔助出口37流出換熱器11之前，在此它將能量轉(zhuǎn)移到通過主入口27進(jìn)入的氣體上。使用塔板換熱器或片管換熱器，在這兩種氣體之間沒有任何直接的物理接觸的情況下，實(shí)現(xiàn)這種能量轉(zhuǎn)移。
經(jīng)主出口28流出換熱器11的氣體然后經(jīng)入口29流動到預(yù)燃燒器12內(nèi)。在體系的正常連續(xù)操作過程中，氣體在其組成、溫度、壓力或其它性能沒有任何變化的情況下流經(jīng)預(yù)燃燒器12，結(jié)果氣體經(jīng)出口31流出預(yù)燃燒器12，其與經(jīng)入口29進(jìn)入所述預(yù)燃燒器12的氣體沒有變化。預(yù)燃燒器12僅僅在體系的啟動過程中和在低負(fù)荷操作過程中操作。在這些情況下，啟動燃料如LPG經(jīng)啟動燃料入口30被注入到預(yù)燃燒器內(nèi)。然后在催化燃燒器13內(nèi)發(fā)生完全燃燒之前，操作預(yù)燃燒器12，促進(jìn)啟動燃料和經(jīng)入口29進(jìn)入的氣體這二者的部分燃燒。
經(jīng)出口31流出預(yù)燃燒器12的氣體經(jīng)入口32流動到催化燃燒器13內(nèi)。催化燃燒器13是蜂窩狀整料反應(yīng)器。整料具有大的開放正面面積，從而導(dǎo)致低的壓降，這對于所要求的體系的適中空速來說是必須的。在催化燃燒器13內(nèi)使用貴金屬催化劑。陶瓷整料充當(dāng)貴金屬催化劑如鈀、鉑或銠位于其上的賤金屬，如氧化鋁和鈰土的洗涂層漿料用基底。最大連續(xù)床使用溫度可以是950℃，但短時間可達(dá)到最多1050℃。催化燃燒器13具有超過99％的燃燒效率。經(jīng)出口33流出燃燒器13的氣體具有等于或小于800℃的溫度和類似于經(jīng)入口32進(jìn)入催化燃燒器的氣體的壓力。出口33的氣體具有與入口32類似的壓力是在整個催化燃燒器13上低壓降的結(jié)果。
來自催化燃燒器13的出口33的氣體經(jīng)入口34進(jìn)入渦輪機(jī)14。在入口34處的氣體溫度應(yīng)當(dāng)不大于800℃，和通常控制到約780℃。若氣體溫度升高到高于800℃，則將要求使用來自壓縮機(jī)10的出口26的氣體冷卻渦輪機(jī)的入口渦管和第一分段裝置。然而，不要求冷卻是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案的一個特征。供應(yīng)冷卻油冷卻傳動軸和軸承。
氣體在渦輪機(jī)14內(nèi)膨脹，產(chǎn)生軸功，從而導(dǎo)致經(jīng)出口35流出渦輪機(jī)14的氣體具有約630℃的溫度和略高于常壓的壓力。利用渦輪機(jī)14的一些軸功通過連接件39驅(qū)動壓縮機(jī)10。其余軸功通過38連接至渦輪機(jī)14的發(fā)電機(jī)15被轉(zhuǎn)化成電能?；蛘撸瑴u輪機(jī)14可包括在分軸循環(huán)上操作的兩個渦輪機(jī)。使用第一渦輪機(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)10和第二渦輪機(jī)連接至發(fā)電機(jī)15。渦輪機(jī)14可以是或者軸向流動渦輪機(jī)或者徑向流動渦輪機(jī)。
該體系還包括廢熱鍋爐(未示出)。流出換熱器11的輔助出口37的氣體進(jìn)入廢熱鍋爐，在此處理它以盡可能多地回收氣體內(nèi)的剩余能量。
權(quán)利要求
1.一種體系，它包括具有入口流體和出口流體的壓縮機(jī)，具有工藝入口流體和工藝出口流體的預(yù)熱器，具有入口流體和出口流體且含有催化劑的催化燃燒器，和具有入口流體和出口流體的渦輪機(jī)，其中壓縮機(jī)的出口流體連接至預(yù)熱器的工藝入口流體，預(yù)熱器的工藝出口流體連接至催化燃燒器的入口流體，和催化燃燒器的出口流體連接至渦輪機(jī)的入口流體，和其中在該體系的操作過程中，壓縮機(jī)的入口流體具有基本上恒定且低濃度的燃料。
2.權(quán)利要求1的體系，其中燃料包括甲烷濃度為0.5-1.5mol％的氣體。
3.權(quán)利要求1的體系，其中燃料包括甲烷濃度為約1mol％的氣體。
4.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，其中渦輪機(jī)的入口流體具有小于800℃的溫度。
5.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，其中催化燃燒器含有具有高活性(50-200×10-7mol/(m2s))和高反應(yīng)表面積(20-40m2/cm3)的催化劑。
6.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，其中催化燃燒器具有950℃的最大連續(xù)床表面溫度。
7.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，其中催化燃燒器是蜂窩狀整料反應(yīng)器。
8.權(quán)利要求7的體系，其中整料是陶瓷，它充當(dāng)貴金屬催化劑位于其上的賤金屬的洗涂層漿料用基底。
9.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，其中催化燃燒器具有大于99％的燃燒效率。
10.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，其中壓縮機(jī)的出口流體具有小于3.5bar的壓力(絕對)。
11.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，進(jìn)一步包括發(fā)電機(jī)，所述發(fā)電機(jī)連接至渦輪機(jī)，其中發(fā)電機(jī)把渦輪機(jī)產(chǎn)生的軸功轉(zhuǎn)化成電能。
12.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，該體系進(jìn)一步包括換熱器，以回收在渦輪機(jī)的出口流體內(nèi)的一些能量。
13.權(quán)利要求12的體系，其中換熱器和預(yù)熱器形成單一的整體單元，其中預(yù)熱器具有加熱入口流體和加熱出口流體，加熱入口流體連接至渦輪機(jī)的出口流體，以便使用渦輪機(jī)的出口流體加熱壓縮機(jī)的出口流體。
14.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，進(jìn)一步包括熱量回收鍋爐，該鍋爐具有連接至預(yù)熱器的加熱出口流體的入口流體，其中在使用過程中，使鍋爐適合于回收來自渦輪機(jī)出口流體中的能量。
15.前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的體系，該體系進(jìn)一步包括具有入口流體、出口流體和啟動燃料流體的預(yù)燃燒器，其中入口流體連接至預(yù)熱器的工藝出口流體，和出口流體連接至催化燃燒器的入口流體，其中在渦輪機(jī)的啟動過程中和在低負(fù)荷操作過程中，使用預(yù)燃燒器燃燒啟動燃料流體。
16.權(quán)利要求15的體系，其中在該體系的正常操作過程中，啟動燃料流體的流速為0，和預(yù)熱器的工藝出口流體未反應(yīng)地通過預(yù)燃燒器。
17.一種體系，該體系用于提供燃料以驅(qū)動催化燃燒氣體的渦輪機(jī)體系，其中提供燃料的該體系包括混合器，具有出口流體和至少兩種入口流體以及壓縮機(jī)，具有入口流體，混合器的出口流體連接至壓縮機(jī)的入口流體，其中在體系的操作過程中，控制所述至少兩種入口流體，以便混合器的出口流體隨時間流逝具有基本上恒定的組成。
18.權(quán)利要求17的體系，其中混合器的出口流體具有0.5-1.5mol％的甲烷濃度。
19.權(quán)利要求17或18的體系，其中在混合物的所述至少兩種入口流體中，至少一種入口流體具有0-1.5mol％的甲烷濃度和至少一種其它的入口流體具有超過20mol％的甲烷濃度。
20.權(quán)利要求17-19任何一項(xiàng)的體系，其中在混合器內(nèi)的所述至少兩種入口流體中的至少一種是來自煤礦通風(fēng)空氣的流體。
21.權(quán)利要求20的體系，進(jìn)一步包括第一洗滌器，在使用過程中，使所述第一洗滌器適合于從通風(fēng)空氣中除去直徑大于和等于0.5微米的顆粒。
22.權(quán)利要求21的體系，其中在使用過程中，還使所述第一洗滌器適合于從通風(fēng)空氣中除去硫化合物，以便在第一洗滌器的氣體出口流體中硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm。
23.權(quán)利要求17-22任何一項(xiàng)的體系，其中混合器的所述至少兩種入口流體中的至少一種其它的流體是煤礦排放氣體的流體。
24.權(quán)利要求23的體系，進(jìn)一步包括第二洗滌器，在使用過程中，使所述第二洗滌器適合于從煤礦排放氣體中除去直徑大于和等于0.5微米的顆粒。
25.權(quán)利要求24的體系，其中在使用過程中，還使所述第二洗滌器適合于從煤礦排放氣體中除去硫化合物，以便在第二洗滌器的氣體出口流體中硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm。
26.權(quán)利要求17-25任何一項(xiàng)的體系，其中該體系進(jìn)一步包括儲罐，儲罐具有連接至壓縮機(jī)的入口流體的出口流體，和在該體系的操作過程中，儲罐的出口流體具有隨時間流逝基本上恒定的組成，其中儲罐儲存充足的流體，以緩沖儲罐的至少一種入口流體在組成上的波動。
27.權(quán)利要求26的體系，其中混合器的出口流體連接至儲罐的至少一種入口流體。
28.一種發(fā)電的方法，該方法包括下述步驟(a)混合至少兩種氣體流體，產(chǎn)生具有基本上恒定和低燃料濃度的工藝氣體流體；然后(b)壓縮該工藝氣體流體；(c)預(yù)熱該工藝氣體流體；(d)在催化劑存在下燃燒該工藝氣體流體；(e)在渦輪機(jī)內(nèi)使該工藝氣體流體膨脹，產(chǎn)生軸功；和(f)使用發(fā)電機(jī)，將渦輪機(jī)的軸功轉(zhuǎn)化成電。
29.權(quán)利要求28的發(fā)電的方法，其中工藝氣體流體具有0.5-1.5mol％的甲烷濃度。
30.權(quán)利要求28或29的發(fā)電的方法，進(jìn)一步包括洗滌所述至少兩種氣體流體的步驟，以除去直徑大于和等于0.5微米的顆粒和除去硫化合物，以便工藝氣體流體中硫化氫和二氧化硫的濃度分別不大于10ppm和5ppm。
31.權(quán)利要求28-30任何一項(xiàng)的發(fā)電的方法，其中工藝氣體流體被壓縮到不大于3.5bar(絕對)。
32.權(quán)利要求28-31任何一項(xiàng)的發(fā)電的方法，其中工藝氣體流體在步驟(d)的燃燒之后具有小于800℃的溫度。
33.一種參考附圖1基本上如前所述的催化燃燒氣體的渦輪機(jī)體系。
全文摘要
一種體系，包括具有入口流體(25)和出口流體(26)的壓縮機(jī)(10)，具有工藝入口流體(29)和工藝出口流體(31)的預(yù)熱器(12)，具有入口流體(32)和出口流體(33)且含有催化劑的催化燃燒器(13)，和具有入口流體(34)和出口流體(35)的渦輪機(jī)(14)，其中壓縮機(jī)(10)的出口流體(26)連接至預(yù)熱器(12)的工藝入口流體(29)，預(yù)熱器(12)的工藝出口流體(31)連接至催化燃燒器(13)的入口流體(32)，催化燃燒器(13)的出口流體(33)連接至渦輪機(jī)(14)的入口流體(34)。在該體系的操作過程中，壓縮機(jī)(10)的入口流體(25)具有基本上恒定且低濃度的燃料。
文檔編號F02C7/08GK1695002SQ03824823
公開日2005年11月9日 申請日期2003年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月27日
發(fā)明者蘇適, A·C·比斯, C·W·馬爾利特 申請人:聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究組織