CN105745402A - 通过回收热机的循环过程中的能量载体进行能量转化的方法 - Google Patents

通过回收热机的循环过程中的能量载体进行能量转化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动力工程。在通过热机循环过程中的燃料再生进行能量转化的方法中，形成第一回流循环：气体发生器–用于将动能和热能转化成机械能的装置–氢化反应器–气体发生器，在蒸汽锅炉中使水蒸发，将蒸汽送入用于将来自蒸汽的能量转化成机械能的装置，例如涡轮机，其中蒸汽锅炉位于气体发生器和氢化反应器中，将蒸汽由转化装置送至冷凝器中，形成第二回流循环，将空气中所含的氧气由送风器送至气体发生器，对空气进行冷却，重复冷却过程直至空气中的残余水含量不大于0.2g/m3，收集形成的冷凝物，并用于供应蒸汽锅炉。本发明能够简化在热机中形成的碳氧化物的再生过程。

Description

通过回收热机的循环过程中的能量载体进行能量转化的方法
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的通过回收热机的循环过程中的能量载体进行转化的方法。
背景技术
本发明可以用于能源技术中，特别是用于将烃类燃料的内能转化成机械功的方法中。
除了原子能、核能、核聚变能、太阳能和热能以外，已知的用于产生热能的现代方法是基于能量载体的直接燃烧。换而言之，涉及所有的可燃烧的燃料组分的完全氧化(例如参见L.S.Stermann等人,“-undAtomkraftwerke”[热电站和核电站],M.,Energoisdat,1982)。
虽然它们具有各种各样的特性，这些已知的方法的缺点具有共同的特征并包括如下：
–不能处理水含量大于75％的废物。
–最佳的热电站的理论效率最高为75％，并且有效效率最大为35％。
–排放至周围空气中的废气污染环境，并且在全球范围损害地球上的生命。
–无效地使用不可再生的自然资源，例如燃料资源。
–工厂的生物质以及人和动物的***产物仅偶尔被利用，并且无效地用于产生能源。
由现有技术已知回收热化学循环过程中所提取的能量并将其转化成机械能的方法。通过该方法，将氢气/碳氧化物混合物(供应至发动机的能量载体)以3:1的摩尔比从容器送至反应器***。在此，在催化反应过程中产生甲烷/水蒸汽混合物(工作介质)。将其送至发动机的工作室中。通过混合物膨胀产生机械能。用过的甲烷/水蒸汽混合物流入气冷的高温原子反应器的冷却***中，其位于发动机的外部。在此，甲烷/水蒸汽混合物被转化成原始的氢气和碳氧化物(参见国际申请WO03/091549，分类F01K25/06，2003年11月6日)。
与已知的方法相比，该方法实现了燃料消耗的显著下降，但是也存在如下缺点：
–为了实现循环过程，高温热能来源必须位于发动机外部。
–该方法仅能以静态方式实施，并且位于高温能量源的直接附近。
–在该方法中，不能使用其他类型的含碳原料。
–使用该方法无法供应非电动车辆发动机。
–能量载体(氢气/碳氧化物混合物)必须在特定的设备中产生。
由现有技术已知将在放热过程中释放的能量转化成机械功的方法。该方法包括将起始原料供应至第一反应器(气体发生器)和在放热过程中原料组分的共同作用。其产生氢气和碳氧化物。它们被送至反应器甲烷化***(Fischer-Tropsch反应器的一种特殊情形)。在此，通过催化反应形成工作介质。该工作介质是甲烷/蒸汽混合物。通过其膨胀，在发动机中做机械功。用过的工作介质被送至用于回收的第二反应器中，然后送回至第一反应器中。在该方法中，第一反应器中的起始原料暴露于自热气化或热气化过程，并释放氢气和碳氧化物。氢气和碳氧化物被送至副产物的反应器甲烷化***。氢气与碳氧化物之间的催化反应在600K至1400K的温度下在0.6与20mPa之间的压力下进行(俄罗斯专利2323351，分类F01K23/04，2008年4月27日)。
该方法具有以下缺点：
–在气体发生器中起始原料的重整或气化过程中释放的气体和能量没有得到利用。
–等离子体化学重整或气化过程仅用于处理水混合物。
–在超过700K的温度下的甲烷化过程难以通过可商购获得的催化剂实施。
–600K与1400K之间及0.6至20mPa的温度限制和压力限制严重地限制了可实现的结果。
本发明最接近的现有技术在其技术要点和可实现的效果上是一种通过回收在热机循环过程中的能量载体进行转化的方法。在该方法中，将烃类燃料和氧气供应至气体发生器。在自热条件或热条件下使燃料气化或转化，得到氢气/碳氧化物混合物。将所得的氢气/碳氧化物混合物输送至用于将其动能和热能转化成机械能的装置中。然后，氢气/碳氧化物混合物流入氢化反应器中。在此，通过催化过程形成烃类和热量产生的水。将它们经由能量转化装置输送至用于转化的气体发生器，并以此方式形成第一回流循环，具体而言是：气体发生器–用于将动能转化成机械能的装置–氢化反应器–用于将气体热能和动能转化成机械能的装置–气体发生器。水在通过气化和氢化产物加热的蒸汽锅炉中蒸发，并被送至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置中，例如送至涡轮机中(俄罗斯专利2386819，分类F01K23/04，2010年4月20日)。
该已知的技术设备成功地改善了许多等级参数，并通过实施该方法克服了在实践中认识到的循环回收过程的固有缺陷。
然而，发现了以下缺陷：
–甲烷并不是该技术能量***的目标产物。因此，为了回收碳氧化物而使用甲烷化装置的结果是，由于压缩热的甲烷和蒸汽混合物而增加了能量的自消耗，以及增加了该方法中的设备成本。
–在合成气(产物气体)中氢气与碳氧化物的摩尔比为3:1。这限制了该方法的可用性。
–必须使用等离子体化学方法的工艺技术并不总是有利的，因为它限制了起始原料的其他气化方法的使用。
–使用稀有气体或其混合物是该技术方法的前提条件，这降低了气体发生器和用于对碳氧化物进行氢化的反应器的效率。
发明内容
本发明的目的是开发一种通过在内燃机和蒸汽锅炉***中回收循环碳氧化物进行转化的方法，其中提取和加工处理都可以使用含烃原料进行，包括气体、各种物质的混合物以及工业和家用废物。
技术效果是简化了在热机或蒸汽锅炉***或各种工艺过程中产生的碳氧化物的回收过程。
该目的是通过权利要求1的特征实现的。
该目的是通过回收热机的循环过程中的能量载体进行转化的方法实现的。在该方法中，将烃类燃料和氧气供应至气体发生器。使燃料气化或者在自热条件或热条件下转化，从而产生氢气/碳氧化物混合物。将产生的氢气/碳氧化物混合物送入用于将其动能和热能转化成机械能的装置。然后，将氢气/碳氧化物混合物送入氢化反应器，其中在催化过程中形成烃类和热量产生的水，然后将它们送入用于转化的气体发生器。因此，形成第一回流循环：气体发生器–用于将动能和热能转化成机械能的装置–氢化反应器–气体发生器。然后在蒸汽锅炉中使水蒸发。然后将蒸汽送入用于将蒸汽能量转化成机械能的装置，例如涡轮机。所述蒸汽锅炉位于气体发生器中。所述蒸汽发生器位于气体发生器中和氢化反应器中。水在后者中进行加热。以此方式，在气体发生器和氢化反应器中保持气化和氢化过程的等温过程。将蒸汽从用于将蒸汽能量转化成机械能的装置进一步送至冷凝器。冷凝物由此流回蒸汽锅炉中。因此，形成第二回流循环：蒸汽锅炉–用于将蒸汽能量转化成机械能的装置–冷凝器–蒸汽锅炉。在此过程中，冷凝物在蒸汽锅炉之间根据它们各自的容量成比例地分配。在烃类燃料的气化或转化过程中，在自热条件或热条件下在气体发生器中形成氢气/碳氧化物混合物。同时，在氢化反应器中通过催化过程形成烃类/热量产生的水的混合物。将来自氧气站(空气分离装置)的纯氧或来自空气泡的作为空气成分的大气氧供应至(热)机的气体发生器。预先在级联热交换器(分级布置的热交换器)中将流入进气口的空气冷却或加热至露点，取决于气候条件，然后在膨胀涡轮机中冷却到0℃至–3℃的温度。重复冷却操作，直至获得在空气中0.2g/m3的最大残余水含量。收集所形成的冷凝物，并用于供应蒸汽锅炉。然后，将大气氧输送至氧气站或直接输送至气体发生器。
空气在级联热交换器中利用冷空气或利用冷氮气或利用冷的混合气体进行冷却，或者利用热水或蒸汽进行加热。将冷凝物用于供应蒸汽锅炉。
将来自构建在氢化反应器中的蒸汽锅炉的蒸汽经由内置于气体发生器中的蒸汽过热器送入用于将蒸汽能量转化成机械能的装置中。
在(热)机的气体发生器中，产生具有对于完全回收碳氧化物所需且足够的摩尔比H2:CO和H2:CO2的产物气体(合成气)。
在摩尔比CO:CO2小于1时，由热量产生的水或过热的蒸汽获取用于使二氧化碳氢化所需的额外的氢气。
将来自用于将蒸汽能量转化成机械能的装置的蒸汽的一部分进一步送至内置于气体发生器中的蒸汽过热器中。然后，过热的蒸汽返回至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置中。
将在氢化反应器中产生的烃类的一部分从所产生的混合物分离出，并进一步送至精馏塔中以进行进一步处理。
下面结合附图更详细地描述本发明的方法的一个示例性的实施方案。
附图说明
图1是用于实施所述的能量转化方法的热机的示意图；
图2是用于实施所述的能量转化方法的热机的示意图，其同时在精馏塔中制备化学产物；及
图3是用于实施所述的能量转化方法的热机的示意图，其具有连接至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置的蒸汽过热器。
所述的能量转化方法可以在热机中实施，例如图1的内燃机。该热机包括气体发生器1，其具有内置于其中的蒸汽锅炉2及具有蒸汽过热器3。该气体发生器1与氧气和烃类燃料供应相连接。在气体发生器1处的用于氢气和碳氧化物的出口开口也连接至用于将它们的动能和热能转化成机械能的装置4，例如涡轮机。该能量转化装置4通过其出口连接至氢化反应器5。第二蒸汽锅炉6位于氢化反应器5中。该第二蒸汽锅炉6的出口连接至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7，例如涡轮机。涡轮机的出口连接至冷凝器8。冷凝器8的水出口与蒸汽锅炉2和6连通。氢化反应器5的用于烃类和热量产生的水的出口连接至气体发生器1。
第二蒸汽锅炉6可以经由蒸汽过热器3连接至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7。替代性地，来自用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7的蒸汽排出管线可以经由蒸汽过热器3连接至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7。
氢化反应器的用于烃类和热量产生的水的出口与精馏塔9连通。
此外，空气泡或氧气站(图中未示出)可用于向气体发生器1供应氧气。(在空气制备(airpreparation)的情况下，也可以使用级联热交换器和膨胀涡轮机(未示出))。
利用该通过回收热机循环过程中的能量载体进行能量转化的方法，将烃类燃料和氧气输送至气体发生器1。在此，使燃料在自热条件或热条件下气化或转化，形成氢气/碳氧化物混合物。产生的氢气/碳氧化物混合物流入用于将其动能和热能转化成机械能的装置4中。然后，将氢气/碳氧化物混合物进一步送至氢化反应器5中。在此，在催化过程中形成烃类和热量产生的水，然后送入用于进行转化的气体发生器1中。这涉及第一回流循环：气体发生器1–用于将动能和热能转化成机械能的装置4–氢化反应器5–气体发生器1。
水在蒸汽锅炉2和6中蒸发，然后将水蒸汽送入用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7，如涡轮机。蒸汽锅炉2和6分别位于气体发生器1和氢化反应器5中。因此，由于在气体发生器1中和在氢化反应器5中水加热的结果，在它们之中保持了气化和氢化过程的等温过程。水蒸汽由用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7流入冷凝器8中。冷凝物由此流回蒸汽锅炉2和6中。因此，形成第二回流循环：蒸汽锅炉2和6–用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7–冷凝器8–蒸汽锅炉2和6。
冷凝物在蒸汽锅炉2和6之间根据它们各自的容量成比例地分配。在烃类燃料的气化或转化过程中，在自热条件或热条件下在气体发生器1中形成氢气/碳氧化物混合物，在氢化反应器5中在催化过程中形成烃类和热量产生的水的混合物。
将来自氧气站的纯氧或来自空气泡的大气氧送至(热)机的气体发生器1。取决于气候条件，预先在级联热交换器中将流入进气口的空气冷却或加热至露点，然后在膨胀涡轮机中冷却到0℃至–3℃的温度。重复冷却操作，直至获得在空气中0.2g/m3的最大残余水含量。收集所形成的冷凝物，并用于供应蒸汽锅炉2和6。然后，将大气氧输送至氧气站或者直接输送至气体发生器1。
空气在级联热交换器中利用冷空气或利用冷氮气或冷的混合气体进行冷却，或者用热水或蒸汽进行加热，冷凝物用于供应蒸汽锅炉2和6。
将位于氢化反应器5中的蒸汽锅炉6的蒸汽(参见图1)经由内置于气体发生器1中的蒸汽过热器3送至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7中。
在(热)机的气体发生器1中，产生具有对于完全回收碳氧化物所需且足够的摩尔比H2:CO和H2:CO2的产物气体(合成气)。
若摩尔比CO:CO2小于1，则由热量产生的水或由过热的蒸汽获取用于使二氧化碳氢化所需的额外的氢气。
将一部分蒸汽(参见图2)由用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7送至内置于气体发生器1中的蒸汽过热器3中。然后，过热的蒸汽返回至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置7中。
将在氢化反应器5中产生的烃类的一部分从氢化反应器中之前的混合物分离出，并进一步送至精馏塔9中以进行进一步处理(参见图3)。
上述的***可以合并，如图3所示。
作为烃类燃料，可以使用气体燃料或液体燃料。应当注意的是：因为相对于1升的量，其氧化的热含量最大，气体发生器1基本上是(热)机的一个燃烧室或一个单元的气体发生器1，由燃料罐或气瓶进行供应。在气体发生器1中，在开放空气中在1625至2500K的温度下，或者利用催化剂在785至1620K的温度下，形成产物气体。产物气体(合成气)是氢气和碳氧化物的混合物。该方法优选在0.11至30mPa的压力下进行。在等离子体催化法中，等离子体温度设置在1700与10000K之间或更高的范围内。在氢化反应器5中，在催化等温条件下的碳氧化物催化氢化过程中，形成具有C1至C25个碳原子的烃类、含氧的C1至C4烃化合物以及任选存在的水蒸汽。该过程在3.1mPa和610K的温度下进行。
理论有效效率可以达到0.733；卡诺性能系数可以达到大约–0.89。
本发明的方法可以应用于发电以及机械工程，特别是汽车工程或造船，也可以应用于产生机械能的化学工业中，以用于涡轮驱动轴的操作，用于驱动传送带和发电机，同时例如使用精馏塔能够生产各种化学产品。

Claims (7)

1.回收热机循环过程中的能量载体进行转化的方法，其中将烃类燃料和氧气供应至气体发生器(1)，使燃料气化，或者在自热条件或热条件下进行转化，从而产生氢气/碳氧化物混合物，将产生的氢气/碳氧化物混合物送入用于将其动能和热能转化成机械能的装置(4)中，将氢气/碳氧化物混合物供应至氢化反应器(5)，于其中在催化过程中形成烃类和热量产生的水，然后将其送入气体发生器(1)中以进行转化，从而形成第一回流循环：气体发生器(1)–用于将动能和热能转化成机械能的装置(4)–氢化反应器(5)–气体发生器(1)，然后在蒸汽锅炉(2和6)中使水蒸发，然后将蒸汽送入用于将蒸汽能量转化成机械能的装置(7)中，例如送入涡轮机中，
其特征在于，
蒸汽锅炉(2，6)位于气体发生器(1)中和氢化反应器(5)中，以此方式借助在气体发生器(1)中和氢化反应器(5)中的加热水，在气体发生器(1)中和在氢化反应器(5)中保持气化和氢化过程的等温过程；
将蒸汽由用于将蒸汽能量转化成机械能的装置(7)进一步送入冷凝器(8)中；冷凝物由此流回至蒸汽锅炉(2，6)中，从而由此形成第二回流循环：蒸汽锅炉(2，6)–用于将蒸汽能量转化成机械能的装置(7)–冷凝器(8)–蒸汽锅炉(2，6)；
冷凝物在蒸汽锅炉(2，6)之间根据它们各自的容量成比例地分配；
在气体发生器(1)中在烃类燃料气化或转化期间在自热条件或热条件下形成氢气/碳氧化物混合物；
同时在氢化反应器(5)中通过催化过程形成烃类/热量产生的水的混合物；
将来自氧气站的纯氧或来自空气泡的大气氧供应至热机的气体发生器(1)；
取决于气候条件，预先在级联热交换器中将流入进气口的空气冷却或加热至露点，然后在膨胀涡轮机中冷却至0℃至–3℃的温度；
重复冷却操作直至获得在空气中0.2g/m3的最大残余水含量；
收集形成的冷凝物，并用于供应蒸汽锅炉(2，6)；及
然后将大气氧输送至氧气站或者直接送入气体发生器(1)中。
2.根据权利要求1的方法，
其特征在于，
空气在级联热交换器中利用冷空气或者利用冷氮气或者利用冷的混合气体进行冷却，或者借助热水或蒸汽进行加热；及
将冷凝物用于供应蒸汽锅炉(2，6)。
3.根据权利要求1的方法，
其特征在于，
将来自构建在氢化反应器(5)中的蒸汽锅炉的蒸汽经由内置于气体发生器(1)中的蒸汽过热器(3)送入用于将蒸汽能量转化成机械能的装置(7)中。
4.根据权利要求1的方法，
其特征在于，
在热机的气体发生器中产生具有对于完全回收碳氧化物所需且足够的摩尔比H2:CO和H2:CO2的产物气体。
5.根据权利要求1的方法，
其特征在于，
在摩尔比CO:CO2小于1时，由热量产生的水或过热的蒸汽获取用于使二氧化碳氢化所需的额外的氢气。
6.根据权利要求1的方法，
其特征在于，
将一部分来自用于将蒸汽能量转化成机械能的装置(7)的蒸汽进一步送入内置于气体发生器(1)中的蒸汽过热器(3)中；及
然后过热的蒸汽返回至用于将蒸汽能量转化成机械能的装置(7)中。
7.根据权利要求1的方法，
其特征在于，
将一部分在氢化反应器中产生的烃类由所产生的混合物分离出，并进一步送至精馏塔(9)中以进行进一步加工。
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