專利名稱：沼氣驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于燃用生沼氣的內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，特別是發(fā)電機(jī)裝置的應(yīng)用，在其中該發(fā)動(dòng)機(jī)是間斷性運(yùn)行的。
沼氣是通過厭氧菌對(duì)碳?xì)浠衔镞M(jìn)行菌致分解而產(chǎn)生的。有機(jī)廢物和木材副產(chǎn)品(木屑、鋸末，樹皮等)，已知或未知的地面物，糧食加工副產(chǎn)品，廢的加工植物和農(nóng)場(chǎng)廢物，產(chǎn)生主要由甲烷和二氧化碳構(gòu)成的沼氣。任何一種可以經(jīng)過厭氧消解處理的有機(jī)廢物，將可以產(chǎn)生濃度范圍為50-80％的甲烷?？上?，通過對(duì)碳?xì)浠衔锏膮捬蹙路纸膺€產(chǎn)生另外一些成分，其中一些是惰性的，另一些能與所生成的水蒸汽構(gòu)成酸。例如，可能產(chǎn)生少量的硫的氫化物并形成硫酸；并且硫醇，即為帶有OH根的酒精也可以構(gòu)成硫酸。所產(chǎn)生的大量二氧化碳，是碳酸的成分。
沼氣以三種方式在工業(yè)上使用。首先，它可以直接燃燒生成熱量。這是一種最簡(jiǎn)單的利用，因?yàn)樵谌紵^程中，幾乎不要注意其中的不同成分之差異，但沼氣也可以被過濾并泵送到天然氣管道中以便傳播分配。最后，沼氣可以被過濾并用作內(nèi)燃機(jī)的燃料。該后一種應(yīng)用特別有用，因?yàn)樵摪l(fā)動(dòng)機(jī)可以驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生電能的發(fā)電機(jī)。
當(dāng)內(nèi)燃機(jī)使用沼氣時(shí)，該沼氣的組成成分可以顯著地使發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命縮短。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在間斷性運(yùn)行，就更是如此。在停車期間，發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的最后一些沖程吸入未燃的沼氣。不久將形成上述的各種酸并腐蝕氣缸壁，活塞環(huán)，閥門座和火花塞的表面。這些酸通過被腐蝕的環(huán)泄露到油槽中，并從此被泵送到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)中。被污染的油對(duì)于銅和鉛的合金元件特別具有腐蝕性。如果這種過程出現(xiàn)，則發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)變得經(jīng)較困難，直到最終完全不能工作。


圖1中所示為典型的現(xiàn)有技術(shù)的沼氣驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其中沼氣在消解器10中產(chǎn)生，在容器12中儲(chǔ)存。沼氣的壓力可以變化較大，穩(wěn)壓器14使位于汽化器18的入口16處的氣體壓力保持一相對(duì)不變的值。沼氣在穩(wěn)壓器18中與燃料空氣混合，并被噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸20中。此基本系統(tǒng)也可以包括一在使用中沼氣壓力小于4英寸水柱時(shí)，用于增大該沼氣壓力的泵，并且，當(dāng)腐蝕性組成成分成為公知的問題時(shí)，該系統(tǒng)可以包括一氣體過濾器。例如，氫的硫化物可以利用各種液態(tài)吸附劑和(或)固體氧化劑去除。為了從沼氣中去除硫化物，在一些烘干過程中也可以使用活性碳粒，分子篩或鐵的多孔材料。
本發(fā)明為一種用于向內(nèi)燃機(jī)供給沼氣的系統(tǒng)，其中一種中和油被噴射到沼氣的入口，以便涂覆發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)件并防止它們受到酸的腐蝕作用。特別是，本發(fā)明包括有一具有用于接收沼氣和空氣混合物的入口的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)；一具有一空氣進(jìn)口，一沼氣進(jìn)口和一用于向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口輸送沼氣和空氣混合物的出口的汽化器混合器；一酸中和油容器，和用于向汽化器入口輸送氣流并且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)用于向發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口噴射酸中和油的裝置。
本發(fā)明的一般目的在于減小由于沼氣組成成分所產(chǎn)生的酸對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的腐蝕。通過向發(fā)動(dòng)機(jī)入口噴射一種高級(jí)的堿性潤(rùn)滑油，使發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壁和活塞表面被油涂覆。由沼氣組成成分所生成的任意一種酸，可被油的堿性所中和，并且當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)時(shí)它們的腐蝕作用就因此而減小。
本發(fā)明的一個(gè)更具體的目的在于在每次發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)，用酸中和油大量地涂覆發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件。每次操作者關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，時(shí)限電路運(yùn)行。時(shí)限電路使發(fā)動(dòng)機(jī)維持運(yùn)行一段時(shí)間，并使向發(fā)動(dòng)機(jī)噴射防護(hù)油的泵轉(zhuǎn)動(dòng)。此段時(shí)間足夠保證所有發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件在接著的停機(jī)期間內(nèi)，能用油保護(hù)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種成本合算的沼氣過濾器，其可以減少導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)腐蝕的沼氣組成成分。普通的圓筒裝有濾清器介質(zhì)，沼氣通過位于其通道上的濾清器介質(zhì)流入到發(fā)動(dòng)機(jī)中。經(jīng)過濾清器介質(zhì)之后去除聚結(jié)器中沼氣的水分。介質(zhì)的使用壽命通過由雙作用閥將空氣引入到圓筒而得到延長(zhǎng)，該雙作用閥也可以用作降壓閥。
本發(fā)明的上述和其他目的和優(yōu)點(diǎn)在以下將予以說明。在說明中，參照成為本發(fā)明一部的附圖，而在附圖中僅僅示意性地表示出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。這些實(shí)施例并不必然地代表本發(fā)明的整個(gè)范圍，然而為了說明本發(fā)明的范圍，因此應(yīng)參照本文的權(quán)利要求書。
圖1所示為典型的現(xiàn)有技術(shù)沼氣燃料輸送系統(tǒng)；圖2所示為本發(fā)明所述沼氣燃料輸送系統(tǒng)的示意圖；圖3所示為本發(fā)明所使用的發(fā)電機(jī)裝置的正視圖；圖4所示為形成圖2所示系統(tǒng)一部的沼氣過濾器的最佳方案的正視圖；圖5所示的圖4所示沼氣過濾器的頂視圖。
具體地參照?qǐng)D2，一發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸20，具有用于從汽化器24接收沼氣/空氣混合物的入口22。該汽化混合器24具有一入口26，和一與發(fā)動(dòng)機(jī)氣體穩(wěn)壓器30相連接的沼氣入口28。穩(wěn)壓器30接收相對(duì)高壓(例如5至15英寸水柱)的沼氣，并且汽化器24的出口處產(chǎn)生5英寸水柱的穩(wěn)壓沼氣流。
本發(fā)明之啟示在于在每次發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)，將一種中和潤(rùn)滑油噴入發(fā)動(dòng)機(jī)入口22。包含酸中和油的容器36與泵34相連接，并且當(dāng)泵34轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，中和油被噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)入口22。時(shí)限電路(未示出)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)上，當(dāng)點(diǎn)火切斷時(shí)，時(shí)限電路轉(zhuǎn)動(dòng)泵34并使發(fā)動(dòng)機(jī)維持3秒鐘運(yùn)轉(zhuǎn)。此時(shí)間足夠使中和油噴射，并涂覆到所有發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸表面上。該油的總堿值(TBN)大于14，當(dāng)其與由沼氣組成成分所產(chǎn)生的任意酸相混合時(shí)，這些沼氣組成成分被中和，使其腐蝕性變小。在該最佳實(shí)施例中使用一種可以從紐約port chester奇異油有限股份公司(The MarvelOil company，Inc ofPort chester，New York)得到大量供應(yīng)的，其商標(biāo)為“奇異神秘油”(“Marvel Uystery Oil”)的油。一種中和油也在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱40中使用，用于潤(rùn)滑發(fā)動(dòng)機(jī)，并使用飽和酸中和過濾器42清潔曲軸箱油。
為了從沼氣中去除水蒸汽，一聚結(jié)器44連接到發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)壓器30的入口。在聚結(jié)器44中被冷凝的水蒸汽，通過排水管排除。聚結(jié)器44的設(shè)計(jì)應(yīng)使其流量足夠大，以防止使沼氣燃料流被節(jié)流至沼氣壓力低于2英寸水柱。
為了從沼氣燃料中濾去氫的硫化物和硫醇，一沼氣過濾器50被連接到聚結(jié)器44的入口。如以下詳細(xì)所述，該濾清器的最佳實(shí)施例是由兩個(gè)55加倫圓筒構(gòu)成，其中裝填有過濾介質(zhì)如伊利諾斯，芝加哥ConnellyGPM有限公司可以大量供應(yīng)的“多孔石”或“鐵金屬棉”。當(dāng)濕的沼氣流經(jīng)過濾器50時(shí)，過濾器介質(zhì)可以去除其中的大部分氫的硫化物和硫醇。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，內(nèi)燃機(jī)100用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)106。當(dāng)供給足夠的沼氣時(shí)，該發(fā)電機(jī)裝置運(yùn)行，當(dāng)經(jīng)過一段時(shí)間的停車后，沼氣又被補(bǔ)充。這種間斷性發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行表明是一種特別引起爭(zhēng)論的事情，因?yàn)樵诿看瓮＼囍?，未處理的沼氣留在發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸中，并產(chǎn)生具有較大腐蝕性的酸性副產(chǎn)品。例如在典型的農(nóng)場(chǎng)使用中，該發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行四小時(shí)。然后停車二十小時(shí)。
參照?qǐng)D3，該發(fā)電機(jī)裝置包括有一由福特汽車公司制造的LSG-423型四缸渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)100。該發(fā)動(dòng)機(jī)安裝機(jī)架102上，該機(jī)架102也支承有散熱器104，發(fā)電機(jī)106和用于結(jié)合控制電路的殼體108。發(fā)動(dòng)機(jī)100轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)軸(未示出)，發(fā)電機(jī)106產(chǎn)生電，該電由位于殼體108中的電子儀器調(diào)節(jié)和分配。
發(fā)動(dòng)機(jī)100的燃燒空氣經(jīng)過空氣濾清器100被接收，并被引入到在汽化器/混合器113上的空氣入口。汽化器/混合器113經(jīng)過入口孔116接收沼氣燃料。汽化器/混合器113的出口接到第二汽化器/混合器114的空氣入口。汽化器/混合器114也經(jīng)過入口孔116接收沼氣燃料。來自第二汽化器/混合器114的空氣/燃料混合物被應(yīng)用于每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸的燃料入口孔。第一汽化器/混合器113是可從加利福尼亞I mpcoTechnologies Inc.of cerritos大量獲得的CA/25m型汽化器混合器，而第二汽化器/混合器114也是可以由Impco Technologies供應(yīng)的100型汽化器/混合器。
通過切斷閥127和連接到螺管閥129的輸送管系128，將沼氣供到汽化器/混合器113和114上。螺管閥129是一種由ASCO公司大量供應(yīng)的第21460切斷閥，并且是可電操作的，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)，盡可能快地切斷沼氣燃料的供給。盡可能減小無功期間存儲(chǔ)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的未燃的沼氣成份。通過穩(wěn)壓器130，沼氣輸送到螺管線129。穩(wěn)壓器130是由密執(zhí)安M axitrol Company of Southfield大量供應(yīng)的一種ES-307型，并在輸送管系128中沼氣的運(yùn)行壓力調(diào)整為3至6英寸水柱。
穩(wěn)壓器130安裝在機(jī)架102上，其隔板(在圖中未示出)位于一垂直平面內(nèi)。該隔板不需要垂直，但比較重要的是穩(wěn)壓器130的安裝，通過穩(wěn)壓器的沼氣流的流體將不集中在該隔板上并阻礙它的運(yùn)行。
沼氣經(jīng)過連接到聚結(jié)器134出口的管系132，被輸送到穩(wěn)壓器130。聚結(jié)器由一種由紐約pall process Filtration Company ofEast Hills大量供應(yīng)的過濾器構(gòu)成。當(dāng)濕的沼氣通過該過濾器，水蒸汽冷凝，并通過位于聚結(jié)器134底部的排水管流出。沼氣燃料通過管道136被引到聚結(jié)器134。
用于實(shí)踐本發(fā)明的防護(hù)中和油存儲(chǔ)在位于散熱器104側(cè)的容器138中。泵140安裝到容器138上，并通過管道142從此接收油。泵140和整個(gè)容器由J.D.W hitney & Company可大量供應(yīng)，其庫(kù)存號(hào)為17BJ9165T。泵140的出口通過一油管144和一安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)100上的螺管閥相連，螺管閥的出口經(jīng)油管148，被依次連接到汽化器混合器114的出口。連接油管148，直接向發(fā)動(dòng)機(jī)燃料進(jìn)口歧管輸送油。螺管閥147是一種可由Blackstone C orporation供應(yīng)的零件是為2526的，可電操作的閥，該閥關(guān)閉時(shí)可防止發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將中和油抽入發(fā)動(dòng)機(jī)中。
螺管閥146和泵140兩者通過時(shí)限電路(圖中未示出)連接到發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)上。當(dāng)點(diǎn)火系統(tǒng)由操作者切斷使發(fā)電機(jī)裝置停車時(shí)，時(shí)限回路立即打開螺管閥146，并使泵140通電3秒鐘。該預(yù)設(shè)時(shí)間段之后，將點(diǎn)火系統(tǒng)的電流切斷并關(guān)閉螺管閥146，從而切斷油泵140。在此3秒時(shí)間內(nèi)，將足夠的油泵送到發(fā)動(dòng)機(jī)，以便潤(rùn)滑每個(gè)氣缸壁，活塞環(huán)和閥門桿。這就防止了這些發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件在發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)受到所生成的沼氣組成成份的腐蝕作用。
參照?qǐng)D4和5，連接到輸送管道136上的沼氣過濾器，是由兩個(gè)安裝在木制的裝運(yùn)滑道154端部的55加倫的圓筒構(gòu)成。圓筒150和152通過鋼帶160和162固定到滑道154上，鋼帶160和162繞在兩圓筒的周圍，并將該圓筒150和152夾緊抵靠在中心為木制的圓筒形分離器164上。位于圓筒150和152底部的塊狀物155也具有約束作用。
圓筒150和152用上述的過濾介質(zhì)填充，并且穿過2英尺的聚氯乙烯進(jìn)氣管系156，濕的沼氣在每一圓筒的頂部的各孔中引入。切斷閥157將管系156連接到沼氣源上。靠近每個(gè)圓筒150和152底部的出口，通過2英尺的聚氯乙烯出口管道158連接到燃料管道136上。在此最佳實(shí)施例中，由圓筒150和152構(gòu)成的過濾器如圖中所示并聯(lián)地連接，以便為30KW的發(fā)電機(jī)裝置所需要的過濾容量。很清楚，根據(jù)具體安裝的需要，可以并連或串連附加的過濾器。
盡人皆知，通過三種因素向過濾器介質(zhì)附加大約2％的氧或5％的空氣，可延長(zhǎng)該過濾器的使用壽命。在正常運(yùn)行情況期間，為了將空氣引入圓筒150和150中，一專門的雙重作用圓筒通氣閥170連接到吸入管系156上。該雙重作用閥170可以由全球業(yè)務(wù)安全國(guó)家銷售中心(Global Occupatjonal Safety National Distributjon Centers)大量供應(yīng)。其型號(hào)為L(zhǎng)1812。當(dāng)內(nèi)部的圓筒壓力超過5磅/英寸2，雙重作用閥170起降壓閥的作用。另外，該閥170允許空氣以4加侖/分的流量流入圓筒150和152中。這就轉(zhuǎn)換為0.5英尺3/分的空氣流量，該空氣對(duì)于流量為10英尺3/分的沼氣為所需的3％的空氣。該流量對(duì)于30KV的發(fā)電機(jī)裝置的燃料和空氣是恰當(dāng)?shù)牧髁?，而且?dāng)更大的發(fā)電機(jī)裝置發(fā)電時(shí)，可使用附加的雙重作用閥以在相應(yīng)較高的燃料流量時(shí)，保持5％的空氣量。
權(quán)利要求
1.一種用于將燃料提供給內(nèi)燃機(jī)的入口的沼氣燃料供給系統(tǒng)，其包括一具有一空氣入口和一沼氣入口的汽化器，該汽化器可將空氣與輸送到該汽化器沼氣入口的沼氣流相混合，并將該混合物輸入到所述發(fā)動(dòng)機(jī)入口；一用于存儲(chǔ)酸中和油的容器；一連接到接收酸中和油的所述容器上，并在發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)在預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)將其噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)入口的噴射器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述沼氣燃料供給系統(tǒng)，其系統(tǒng)是所述酸中和油的總堿值大于14。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述沼氣燃料供給系統(tǒng)，其特征是連接有一穩(wěn)壓器，用于接收沼氣流，并將該沼氣流以一基本不變的壓力輸送到汽化器中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沼氣燃料供給系統(tǒng)，其特征是所述噴射器包括有一個(gè)在由預(yù)定時(shí)間間隔內(nèi)驅(qū)動(dòng)并將所述油輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)入口的泵。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述沼氣燃料供給系統(tǒng)，其特征是所述噴射器包括一連接在所述泵和發(fā)動(dòng)機(jī)入口之間的螺管閥，該閥在預(yù)定時(shí)間間隔期間驅(qū)動(dòng)，以允許所述油流動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述沼氣燃料供給系統(tǒng)，其特征是包括有一連接的沼氣體過濾器，用于將沼氣輸送到汽化器的沼氣入口，所述沼氣過濾器包括一容納所述過濾材料并具有入口孔和出口孔的圓筒，所述入口孔位于所述圓筒的頂部，所述出口孔位于所述圓筒的底部；一連接到所述圓筒上的閥，其用于在沼氣流過時(shí)使空氣進(jìn)入該圓筒，從而延長(zhǎng)其中的過濾器材料的使用壽命。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述沼氣燃料供給系統(tǒng)，其特征是所述閥是一雙重作用閥，當(dāng)壓力超過預(yù)定值時(shí)該閥動(dòng)作，使圓筒中的壓力降低。
全文摘要
一種由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，由沼氣源供給燃料。該沼氣流經(jīng)一可以去除氫的硫化物和硫醇的過濾器，并流經(jīng)一用于去除水蒸汽的聚結(jié)器。一穩(wěn)壓器控制輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)汽化器燃料入口的沼氣壓力，酸中和油在每次發(fā)動(dòng)機(jī)停車時(shí)被噴射到發(fā)動(dòng)機(jī)入口，以保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)不受沼氣中酸性組成成分的腐蝕。
文檔編號(hào)F02B43/00GK1156788SQ9611442
公開日1997年8月13日 申請(qǐng)日期1996年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月2日
發(fā)明者詹姆斯·L·金, 蒂莫茜·J·明特納 申請(qǐng)人:科勒公司