CN101109515A

CN101109515A - 热装置中废气的使用

Info

Publication number: CN101109515A
Application number: CNA2007101373254A
Authority: CN
Inventors: 杰伊·约翰逊
Original assignee: Ingersoll Rand Energy Systems Corp
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2007-07-20
Publication date: 2008-01-23

Abstract

本发明公开了一种系统，该系统利用燃料消耗装置产生废气，其包括用于从燃料消耗装置接收废气的压力通风系统和与压力通风系统流体连通的烟囱。烟囱适用于在一种情况下允许废气离开压力通风系统，并且在另一情况下允许外界空气进入压力通风系统。该系统还包括适于从压力通风系统抽流体流以用于热装置的运行的热装置。流体流包括从燃料消耗装置产生的废气和外界空气中的至少一种。

Description

热装置中废气的使用

相关技术资料参考

本发明根据35U.S.C.§119，要求2006年7月20日提交的美国临时申请No.60/807,877的优先权。

技术领域

本发明涉及一种热装置中废气的使用。

发明内容

在一个实施例中，本发明提供了一种系统，该系统利用燃料消耗装置产生的废气。该系统包括：用于从燃料消耗装置接收废气的压力通风系统和与压力通风系统流体连通的烟囱。烟囱适用于在一种情况下允许废气离开压力通风系统，并且在另一情况下允许外界空气进入压力通风系统。该系统还包括热装置，所述热装置适于从压力通风系统抽流体流以用于热装置的运行。流体流包括从燃料消耗装置产生的废气和外界空气中的至少一种。

在一些实施例中，当热装置的流体流的需求超过燃料消耗装置产生的废气时，烟囱允许外界空气进入压力通风系统以补充废气。

在一些实施例中，产生废气的燃料消耗装置是微型涡轮发动机。

在另一实施例中，本发明提供了一种提高热装置的效率的方法。所述方法包括：利用燃料消耗装置产生废气；使所述废气进入至压力通风系统；和监测所述热装置的流体流的需求。所述方法还包括当所述流体流的需求超过所述压力通风系统中可利用的废气时，用外界空气补充废气以及从压力通风系统抽流体流以达到热装置的流体流需求。流体流包括由燃料消耗装置产生的废气和外界空气中的至少一种。该方法进一步包括在热装置处燃烧流体流。

将通过细节的描述并参照附图使本发明的其它方面变得更显而易见。

附图说明

图1是废气利用系统的原理说明图；以及

图2是用于使用图1的废气利用系统的微型涡轮发动机的原理说明图。

具体实施方式

在详细地说明本发明的任何实施例之前，应当理解的是本发明的应用不局限于下列描述中阐明的或下列附图中说明的结构细节和元件排列。能够以不同的方式通过其它实施例来实现或实践本发明。并且，应当理解的是这里使用的措词和术语是为了说明的目的，而不应被认为是限制。“包括”、“包含”或“具有”和此处它们的变化的使用是指包括其后列出的项目，和其等同物以及额外的项目。除非相反地指定或限定，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“联接”和其变化被广泛地应用，并且同时包括直接和间接的安装、连接、支撑和联接。另外，“连接”和“联接”不限于物理的或机械的连接或联接。

图1示意性地图示了用于燃料消耗装置15的废气利用系统10。该废气利用系统10包括排气管(exhaust pipe)20，压力通风系统(plenum)25，烟囱(stack)30，空气驱动器(air mover)35，和热装置40。

燃料消耗装置15可以是使用燃料作功的发动机。此类发动机的实例包括往复式发动机，微型涡轮发动机，和更大的燃气涡轮发动机。此类发动机作功的实例包括发电，驱动冷却器，冰箱或压缩机，以及升高、下降或以其它方式移动目标。可选地，燃料消耗装置15可以是放空燃烧装置(flare)，所述放空燃烧装置燃烧从垃圾场(landfill)或其它场所提炼出的气体，以减少释放到环境中的未燃烧的碳氢化合物量。燃料消耗装置15产生热的燃烧产物或作为所作功的副产品的废气。废气离开燃料消耗装置15并通过排气管20到达压力通风系统25。

在一些实施例中的排气管20可包括单向管道(例如包括手动节气阀(damper)或阀门，压力驱动节气阀或阀门等的单向管道)，该单向管道允许废气从燃料消耗装置15流至压力通风系统25，但是防止废气再进入或回流入燃料消耗装置15中。由于会导致燃料消耗装置15的部件在不运行时移动或转动，因此该回流是不理想的。

压力通风系统25定位在燃料消耗装置15上方至少几英尺处。废气离开排气管20并且在压力通风系统25中膨胀，使废气的压力降低至接近或低于环境压力。另外，压力通风系统25的形状和大小被确定以减小废气的速度。在一些实施例中，每一个都具有单独排气管20的多个燃料消耗装置15可注入压力通风系统25。只要燃料消耗装置15运转，压力通风系统25持续地被废气填充。排出气体的固有浮力会导致废气默认到使气体上升的路径并通过烟囱30安全地排出建筑物。

如图1所示，热装置40可与压力通风系统25以流体连通的方式连接。热装置40需要流体流动以支撑其自身的运行(例如：产生蒸汽或其它高温流体)。空气驱动器35与烟囱30相对地定位在压力通风系统25上，并且可运行以从压力通风系统25抽出废气，新鲜的外界气体(即环境中的气体)，或两种气体的混合物作为流体流。然后空气驱动器35将流体流引向热装置40。压力通风系统25设置了缓冲器以缓和可供热装置40使用的废气的体积和温度的快速变化。在图1示出的实施例中，空气驱动器35是高温鼓风机。在一些实施例中，多个空气驱动器35可连接至压力通风系统25用以将流体流提供至在不同的时间运行或需要不同量的流体流的单独的热装置40。

在热装置40中，流体流与燃料混合并燃烧。在其它实施例中，流体流可以足够热以在没有燃烧的情况下支持热装置40的操作。控制系统45监测流体流和其它操作参数并响应于需要更多流体流的热装置40而驱动空气驱动器35。控制系统45可监测例如流体流的温度、流率和氧气含量。在其它实施例中，控制系统45可监测热装置40的效率或可计算或推出效率的参数。

当热装置40的需求变化时，空气驱动器35从压力通风系统25中抽出的流体流的量也变化。当热装置40需要高于燃料消耗装置15产生的废气的流体流时，空气驱动器35将降低压力通风系统的压力，使流在烟囱30中回流并吸入新鲜的外界空气以补充废气。在这点上，烟囱30可被称为“双向”管道，因为允许流在一种情况下从压力通风系统25出来，并且另一情况下进入压力通风系统25。在由空气驱动器35抽向热装置40之前，废气和新鲜的外界空气在压力通风系统25中混合。当热装置40需要的流体流低于燃料消耗装置15产生的废气时，过量的废气流出烟囱30。当燃料消耗装置15没有运行且没有产生废气时，热装置40只使用通过烟囱30吸入的新鲜的外界空气。除了补充废气的体积之外，一些实施例会将新鲜的外界空气吸入到压力通风系统25中以降低废气的温度。

在图1中示出的实施例中，热装置40远离燃料消耗装置15，以便在热装置40和燃料消耗装置15之间没有直接连通。即，热装置40的需求不影响燃料消耗装置15的运行。另外，热装置40包括单向入口50，该单向入口50具有允许流体流从压力通风系统25流至热装置40、而防止流体流从热装置40流至压力通风系统25的装置。例如，该装置可被包括在空气驱动器35中(在此情况下不需要单独的单向入口50的元件)或单独的节气阀中。当热装置40不运行时，单向入口50关闭以便由燃料消耗装置15产生的废气仅可流出烟囱30。

热装置40利用顶部循环，其中来自发电的废热或废气在交替的步骤中使用。热装置40可以是热能的来源，诸如例如产生蒸汽的锅炉。由于通过使用正常需要被加热的高温空气而节约能量，从而提高锅炉的燃烧效率。在一个实例中，来自燃料消耗装置15的废气可以是450和700之间。预加热的空气每加热40将提高1％的燃烧效率。换言之，当利用70的燃烧空气时效率为80％的典型锅炉在利用500的废气运行时，效率可被增加到90％和91％之间。如果废气足够热，则锅炉根本不需要后燃烧(postfiring)以产生蒸汽。

图2原理地图示说明了一种可以用于产生废气的燃料消耗装置15。图2的燃料消耗装置15是微型涡轮发动机(microturbine engine)，在分布式的能量应用中有用，并甚至可以安装在滑行装置上并在工作现场之间移动。微型涡轮发动机15通常产生1兆瓦特或少于1兆瓦特的电力(power)，并且因此与高压输电线路网上的发电厂中的发电机相比相对小。

图示的微型涡轮发动机15包括压缩机55、回流换热器(recuperator)60、燃烧室65、动力涡轮机70和发电机75。空气在压缩机55中压缩并被传送到回流换热器60的冷的一侧。回流换热器60可以是例如逆流板型叶片式热交换器。压缩的空气在回流换热器60之中预热并与来自燃料供应的气态燃料混合以产生可燃混合物。

可燃的混合物在燃烧室65中燃烧以产生燃烧产物。然后燃烧产物被允许膨胀通过动力涡轮机70以给予动力涡轮机70转动能。动力涡轮机70的转动通过可选的齿轮箱80驱动发电机75的运行以产生有用频率的电能。在其它实施例中，可使用动力电子装置(power eletronics)以替代齿轮箱80从而将电信号调节到有用频率。在图示的微型涡轮发动机15中，动力涡轮机70和压缩机55通过轴85联接以便一起转动，因此动力涡轮机70的转动还驱动压缩机55的转动。在其它实施例中，动力涡轮机70可以只驱动发电机75，并且可使用另外的燃气发生器式燃气轮机(gasifier turbine)驱动压缩机55。在该实施例中，燃烧产物通过动力涡轮机70和燃气发生器式燃气轮机两者膨胀。在从微型涡轮发动机15排出燃烧产物之前，燃烧产物流入回流换热器60的热侧以预热流入的压缩空气。

仍然热的燃烧产物然后通过排气管20向上流动。手动或自动的节气阀可位于排气管20中，用以在微型涡轮发动机15不使用时关闭排气管20。这将防止空气被空气驱动器35通过微型涡轮发动机15吸入，否则会根据微型发动机15的设定而导致部件在没有足够润滑的情况下转动。

微型涡轮机发动15通过的燃烧空气是相似功率输出的传统的活塞型发动机的大约10倍。这使得废气很热(通常450至700)并且富有氧气(与新鲜外界空气的23％相比，废气的氧气含量是16至18％)。这些条件使废气成为良好的流体流源。不仅含氧量对维持燃烧来说非常合理(更低的氧浓度实际上可帮助减少NO_x化合物的形成)，并且如上所述，高于室温的每一度都会节约能量，否则热装置40不得不将该能量浪费在流体流的加热中。

因此，本发明尤其提供一种热装置中废气的使用。将在以下专利要求中阐明本发明的各种的特征和优点。

Claims

1.一种利用燃料消耗装置产生的废气的系统，所述系统包括：

压力通风系统，所述压力通风系统用于从燃料消耗装置接收废气并且被确定大小和形状以减少废气的压力和流速；

烟囱，所述烟囱与所述压力通风系统流体连通，所述烟囱适用于在一种情况下允许废气离开所述压力通风系统，而在另一情况下允许外界空气进入所述压力通风系统；以及

热装置，所述热装置适用于从所述压力通风系统抽流体流以用于所述热装置的运行，所述流体流包括来自所述燃料消耗装置的废气和外界空气中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的系统，其中当所述热装置的流体流的需求超过燃料消耗装置产生的废气时，所述烟囱允许外界空气进入所述压力通风系统以补充废气。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括管道，所述管道允许废气从所述燃料消耗装置移动至压力通风系统，所述管道包括选择性地关闭所述管道的机构。

4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括空气驱动器，所述空气驱动器可操作以使所述废气从所述压力通风系统向所述热装置移动。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述空气驱动器是高温鼓风机。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述热装置是锅炉。

7.根据权利要求1所述的系统，进一步包括单向入口，所述单向入口定位在所述压力通风系统和所述热装置之间并可操作以关闭，其中关闭所述单向入口使所述热装置与所述压力通风系统断开。

8.根据权利要求1所述的系统，进一步包括控制器，其中所述控制器基于所述热装置的流体流的需求控制所述空气驱动器。

9.一种系统包括：

微型涡轮发动机，所述微型涡轮发动机能够产生废气，所述微型涡轮发动机包括

压缩机，所述压缩机可操作以产生压缩的空气流，

燃料泵，所述燃料泵可操作以传递燃料流，

回流换热器，所述回流换热器与所述压缩机流体连通以接收所述压缩的空气流，所述压缩的空气流在所述回流换热器之中预热以产生预热的压缩的空气流，

燃烧室，所述燃烧室接收预热的压缩的空气流和燃料流，所述燃烧室燃烧预热的压缩的空气流和燃料流以产生燃烧产物流，

动力涡轮机，所述动力涡轮机由来自所述燃烧室的燃烧产物流驱动，所述燃烧产物流作为废气离开所述动力涡轮机，和

发电机，所述发电机联接至涡轮机，所述发电机由涡轮机驱动以输出电力；

压力通风系统，所述压力通风系统被定位以接收来自所述微型涡轮发动机的废气，并被确定大小和形状以减少废气的压力和流速；

烟囱，与所述压力通风系统流体连通的所述烟囱适于在一种情况下允许废气离开所述压力通风系统，而在另一情况下允许外界空气进入所述压力通风系统；以及

10.根据权利要求9所述的系统，其中当所述热装置的所述流体流的需求超过所述燃料消耗装置产生的所述废气时，所述烟囱允许外界空气进入所述压力通风系统以补充废气。

11.根据权利要求9所述的系统，进一步包括管道，所述管道允许所述废气从所述微型涡轮发动机移动至所述压力通风系统，所述管道包括选择性地关闭所述管道的机构。

12.根据权利要求9所述的系统，进一步包括空气驱动器，所述空气驱动器可操作以使所述废气从所述压力通风系统向所述热装置移动。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述空气驱动器是高温鼓风机。

14.根据权利要求9所述的系统，其中所述热装置是锅炉。

15.根据权利要求9所述的系统，进一步包括单向入口，所述单向入口定位在所述压力通风系统和所述热装置之间并可操作以关闭，其中关闭所述单向入口使所述热装置与所述压力通风系统断开。

16.根据权利要求9所述的系统，进一步包括控制器，其中所述控制器基于所述热装置的流体流的需求控制所述空气驱动器。

17.一种提高热装置的效率的方法，所述方法包括：

利用燃料消耗装置产生废气；

使所述废气进入压力通风系统，以减少所述废气的压力和流速；

监测所述热装置的流体流的需求；

当所述流体流的需求超过所述压力通风系统中可利用的废气时，用外界空气补充所述废气；

从所述压力通风系统抽流体流以达到所述热装置的流体流需求，所述流体流包括由燃料消耗装置产生的废气和外界空气中的至少一种；以及

在所述热装置处燃烧所述流体流。

18.根据权利要求17所述的方法，其中产生所述废气包括利用微型涡轮发动机产生所述废气。

19.根据权利要求17所述的方法，其中用所述外界空气补充所述废气包括将所述外界空气抽入至所述压力通风系统。

20.根据权利要求19所述的方法，其中将所述外界空气抽入至所述压力通风系统中包括通过烟囱抽入所述外界空气。

21.根据权利要求17所述的方法，其中从所述压力通风系统抽所述流体流包括利用空气驱动器从所述压力通风系统抽所述流体流并朝向所述热装置引导所述流体流。

22.根据权利要求21所述的方法，其中利用所述空气驱动器抽所述流体流包括利用高温鼓风机抽所述流体流。

23.根据权利要求19所述的方法，其中在所述热装置处燃烧所述流体流包括在锅炉中燃烧所述流体流。