CN103534462B - 逐渐氧化系统和氧化方法 - Google Patents

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Abstract

本申请描述一种接收并处理固体、液体或气体燃料的逐渐氧化系统。该系统可以包括从固体燃料提取并净化气体燃料的固体燃料气化器。该系统也可以包括接收气体燃料并维持燃料的逐渐氧化过程的反应室。在一些实施例中，含有污染物的液体可以在逐渐氧化室内被氧化。液体燃料和气体燃料可以分离地或组合地连通到氧化室。

Description

逐渐氧化系统和氧化方法
背景技术
许多发电站利用燃气涡轮机系统，其中燃料在被注入到压缩空气中时燃烧，由此加热并增加气体的热能。然后使用将热能转化成动能的涡轮机从加热气体中提取该能量。动能可以用来驱动另一装置例如发电机。燃烧过程经常由点火源（例如火花塞）启动。由于点火源的高温和燃料进入空气时的高浓度，因此燃烧是非常迅速并且近乎瞬时的。
发明内容
在气化过程期间，含有含碳材料例如煤、石油、生物燃料或生物质的固体燃料被转化成例如一氧化碳、烃和甲烷。这些产物气体可以在以其他方式与固体燃料不相容的系统中用作燃料。气化包括留下可燃气体（例如CO、H2和CH4）的材料的不完全燃烧。为了净化这些气体以便在发电系统中进行操作，这些气体必须洗除或清除可能损坏发电系统的其他成分例如焦油和灰尘。洗涤过程可以导致含有这些污染物的有毒废水（或其他液体）。另外，由气化过程产生的气体可能是非常弱的气体（weak gases）。
本文描述的是能够利用来自气化过程的弱气体并处理在气体洗涤期间产生的废水的一体式气化发电站的实施例。在一些实施例中，气化器与逐渐氧化室耦合，该氧化室被配置为接受污染水并氧化水里面的污染物，同时维持充分减小并限制系统排气中的有害排放物（例如NOx）的量的腔室温度。本文描述的系统和方法进一步利用污染水的导引来增加发电系统的潜在输出并净化水。
在逐渐氧化器的一些方面，燃料在含水的反应室中被氧化，该水可以包括来自气化过程的污染物或可以有助于销毁的来自其他地方的污染物。在一些实施方式中，从氧化该燃料释放的能量为燃气涡轮机提供动力。与充足量的水混合的液体燃料例如乙醇通常不受到瞬时燃烧，因为将水蒸发所需要的潜热抑制燃烧过程。另外，当使用的水中含有污染物时，该污染物也可以构成燃料，因为该污染物在反应室内被氧化。
本文描述的一些实施例中，一种固体燃料气化器逐渐氧化系统包括：从固体燃料中提取气体燃料的固体燃料气化器；净化气体燃料的洗涤器；被配 置为经由第一入口接收所净化的气体燃料并维持气体燃料的逐渐氧化过程的无焰燃烧室，该无焰燃烧室包括第二入口；以及耦合到第二入口的导引器，其被配置为从洗涤器接收污染物并将污染物导引到无焰燃烧室中。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为维持足以氧化污染物的内部温度。
在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为在没有催化剂的情况下维持逐渐氧化过程。一些实施例规定气体燃料由洗涤器用水来净化。一些实施例规定从洗涤器接收的污染物在水里面。在一些实施例中，导引器包括用于在将水导引到无焰燃烧室中之前对水加压的压缩器。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为维持足以氧化气体燃料的内部温度持续约0.01秒和约10秒之间。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为维持足以氧化气体燃料的内部温度持续约0.05秒和约5秒之间。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为维持足以氧化气体燃料的内部温度持续约0.05秒和约2秒之间。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为维持足以氧化气体燃料的内部温度持续约0.1秒和约1秒之间。在某些实施例中，该系统进一步包括与无焰燃烧室流体连通的涡轮机，该涡轮机被配置为从无焰燃烧室接收加热的压缩流体并使该流体膨胀。
本文描述的一些用于氧化固体燃料的方法包括：用固体燃料气化器从固体燃料中提取气体燃料；用水洗涤气体燃料；用无焰燃烧室逐渐氧化气体燃料，该无焰燃烧室被配置为经由第一入口接收所净化的气体燃料并维持气体燃料的逐渐氧化过程；将水导引到无焰燃烧室中；以及在无焰燃烧室内维持足以蒸发并氧化水和水中的污染物的内部温度。
一些方法进一步包括在没有催化剂的情况下在无焰燃烧室内维持逐渐氧化过程。一些方法进一步包括在用无焰燃烧室逐渐氧化气体燃料之前压缩气体燃料。一些方法进一步包括在将水导引到无焰燃烧室中之前压缩水。一些方法进一步包括维持足以氧化气体燃料的无焰燃烧室的内部温度持续约0.1秒和约1秒之间。一些方法进一步包括通过与无焰燃烧室流体连通的涡轮机使来自无焰燃烧室的压缩的加热流体膨胀。
一些实施例包括固体燃料气化器逐渐氧化系统，该系统包括：从固体燃料中提取并净化气体燃料的固体燃料气化器；被配置为经由入口接收所净化的气体燃料并维持气体燃料的逐渐氧化过程的无焰燃烧室；以及被配置为从气化器接收污染物并将污染物导引到无焰燃烧室中的导引器。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为在没有催化剂的情况下维持足以氧化污染物的内部 温度。
在一些实施例中，气化器包括净化气体燃料的洗涤器。一些实施例规定气体燃料由洗涤器用水净化。在一些实施例中，由导引器接收的污染物在水里面。在某些实施例中，导引器包括用于在将水导引到无焰燃烧室中之前对水加压的压缩器。一些实施例规定无焰燃烧室被配置为维持足以氧化气体燃料的内部温度持续约0.01秒和约10秒之间。
在一些实施例中，该系统进一步包括与无焰燃烧室流体连通的涡轮机，该涡轮机被配置为从无焰燃烧室接收加热的压缩流体并使该流体膨胀。在一些实施例中，来自无焰燃烧室的加热的压缩流体是气体。
一些实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个。将水连通到加压反应室中包括将液体连通到加压反应室中。蒸发液体包括在加压反应室中蒸发液体。包括空气和燃料的空气/燃料混合物被连通到加压反应室中。该液体进一步包括燃料，蒸发液体包括蒸发燃料和水，并且该气体包括已蒸发的燃料和已蒸发的水。该燃料包括乙醇、煤油和/或其他类型燃料。该液体包括按体积多于百分之五十的水，或者该液体包括按体积多于百分之五十的燃料。将水连通到加压反应室中包括将已蒸发的燃料和已蒸发的水连通到加压反应室中。蒸发该液体包括通过将液体与加热空气混合来蒸发燃料和水。将水连通到加压反应室中包括将加热空气、已蒸发的燃料和已蒸发的水连通到加压反应室中。通过蒸发液体燃料形成的燃料气体与已蒸发的水和/或空气组合。将水连通到反应室中包括将燃料气体、已蒸发的水和/或空气的混合物连通到反应室中。氧化该燃料生成氧化产物气体。该氧化产物气体在驱动发电机的燃气涡轮机中膨胀。填埋气在蒸发该液体之前被从填埋区（landfill）接收。该填埋气被冷凝以形成稍后被蒸发的液体。该填埋气包括燃料，并且冷凝该液体将使水与燃料分离。该液体包括有毒材料。将水连通到加压反应室中包括将有毒材料连通到反应室中。
在一些方面，一种系统包括蒸发器和反应室。该蒸发器将包括水和燃料的液体蒸发以形成包括水和燃料的气体。该蒸发器包括被布置成接收液体的蒸发器入口和被布置成传送来自蒸发器的气体的蒸发器出口。该反应室被配置为在高于反应室周围的环境压力的压力下用空气氧化该燃料。该反应室包括与蒸发器出口连通的反应室入口以便接收包括水和燃料的气体。
一些实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个。该系统包括涡轮机， 该涡轮机具有与反应室的出口流体连通的涡轮机入口。该涡轮机被配置为接收来自反应室的输出气体，并通过使输出气体在涡轮机入口和涡轮机出口之间膨胀来将输出气体的热能转化成机械能。该系统包括机械耦合到涡轮机的发电机。该发电机被配置为将机械能转化成电能。该系统包括从填埋区接收填埋流体的填埋井。该液体包括至少一部分的填埋流体。该系统包括从填埋井接收填埋流体并使来自填埋流体的液体冷凝的冷凝器。
在一些方面，氧化反应室包括被布置成接收包括水的液体并将该液体连通到反应室中的第一入口。该反应室包括被布置成接收包括空气的气体并将该气体连通到反应室中的第二入口。该反应室被配置为蒸发该反应室中的该液体以形成包括水、空气和燃料的气体混合物。该反应室被配置为在反应室中用空气氧化燃料。
一些实施方式可以包括以下特征中的一个或更多个。该液体包括燃料。该气体包括燃料。该反应室包括被布置成将燃料连通到反应室中的第三入口。该反应室包括与涡轮机流体连通的出口。
本文描述的是用于将水或蒸气注入到燃气涡轮机系统中的方法和实施例。在燃气涡轮机中燃烧更多气体可以增加涡轮机的输出。然而，这样做可能增加燃烧的燃料量并导致更高温度，这导致增加的有害NOx气体形成。在一些实施例中，通过提供水或蒸气进入系统，本文描述的逐渐氧化系统可以在不增加NOx形成的情况下提供燃料的氧化，同时增加系统的输出。
一些实施例描述了系统的燃料在空气/燃料混合物沿流动路径流入反应室中时由无焰逐渐氧化过程来氧化。燃料优选在足够低以减少或防止有害化合物例如氮氧化物的形成和/或排放的温度下并且在充分高以氧化被导引到反应室中的燃料和其他污染物的温度下被氧化。空气/燃料混合物流过反应室并从反应室的内表面吸热，包括可能从可以含在反应室内的填充材料吸热。在一些实施例中，反应室不包括填充材料，并且流过反应室的空气/燃料混合物从反应室内现有的气体或其他成分吸热。空气/燃料混合物在混合物流过反应室时温度逐渐升高。在空气/燃料混合物的温度达到或超过燃料的自燃温度时，燃料经历放热氧化反应。
本文描述的许多实施例由于许多原因中的一个或更多个（例如降低燃烧的可能性、控制温度、提高效率和/或增加输出等）而考虑向系统添加蒸汽或水。如本文进一步描述，该操作不同于在燃烧系统中引入水或蒸汽。
本文描述的一些方法包括：蒸发包括水的液体以形成包括水的气体；将水连通到加压高于反应室外部周围的环境压力的反应室中；以及在含有空气、燃料和水的加压反应室中用空气氧化燃料，同时维持反应室中的燃料的最大温度低于导致氮氧化物形成的温度。
在一些方法中，将水连通到加压反应室中包括将液体连通到加压反应室中，并且其中蒸发该液体包括在加压反应室中蒸发该液体。一些方法进一步包括将包含空气和燃料的空气/燃料混合物连通到加压反应室中。在一些实例中，该液体进一步包括燃料，蒸发该液体包括蒸发燃料和水，并且该气体包括已蒸发的燃料和已蒸发的水。
在一些方法中，该燃料包括乙醇或煤油中的至少一种。在一些实例中，该液体包括按体积多于百分之五十的水。在一些方法中，将水连通到加压反应室中包括将包含已蒸发的燃料和已蒸发的水的气体连通到加压反应室中，并且该方法进一步包括将空气连通到加压反应室中。
一些方法进一步包括将空气与包含已蒸发的燃料和已蒸发的水的气体混合，其中将水连通到加压反应室中包括将包含空气、已蒸发的燃料和已蒸发的水的混合物连通到加压反应室中。在一些方法中，将水连通到加压反应室中包括将液体连通到加压反应室中，并且蒸发该液体包括在加压反应室中蒸发该液体。
在一些方法中，该液体进一步包括燃料，蒸发该液体包括通过将液体与加热的空气混合来蒸发燃料和水，并且其中该气体包括加热的空气、已蒸发的燃料和已蒸发的水。在一些实例中，将水连通到加压反应室中包括将包含加热的空气、已蒸发的燃料和已蒸发的水的气体连通到加压反应室中。
一些方法规定氧化该燃料生成氧化产物气体，该方法进一步包括在燃气涡轮机中使氧化产物气体膨胀。在一些方法中，在燃气涡轮机中使氧化产物气体膨胀将驱动机械耦合到燃气涡轮机的发电机。
一些方法进一步包括在蒸发该液体之前从填埋区接收填埋气并冷凝来自填埋气的液体。在一些方法中，填埋气包括燃料。在一些方法中，液体包括污染物，并且将水连通到加压反应室中包括将污染物连通到反应室中，并且其中该污染物在反应室中被氧化。
在本文描述的一些实施例中，公开了包括蒸发器的系统，该蒸发器蒸发包括水的液体以形成包括水的气体，该蒸发器具有被布置成接收液体的蒸发 器入口和被布置成传送来自蒸发器的气体的蒸发器出口。该系统可以进一步包括反应室，该反应室包括与蒸发器出口连通以接收气体的反应室入口，该反应室被配置为在以高于反应室周围的环境压力的压力容纳燃料、空气和气体且同时维持反应室中的最大温度低于导致氮氧化物形成的温度时用空气氧化燃料。
在一些实施例中，该液体进一步包括液态的燃料，并且该气体进一步包括气态的燃料。一些实施例规定反应室进一步包括被布置成接收燃料或空气中的至少一种的一个或更多额外反应室入口。一些实施例进一步包括涡轮机，该涡轮机具有与反应室的出口流体连通的涡轮机入口，该涡轮机被配置为从反应室接收氧化产物并通过使氧化产物在涡轮机入口和涡轮机出口之间膨胀而将氧化产物的热能转化成机械能。一些实施例进一步包括机械耦合到涡轮机的发电机，该发电机被配置为将机械能转化成电能。
本文描述的一些实施例公开了一种氧化反应室，其具有：被布置成将包括水的液体连通到反应室的内部容积中的第一入口；被布置成将包括空气的气体连通到该内部容积中的第二入口，该反应室适于在内部容积中用空气氧化燃料且同时维持反应室中的最大温度低于导致氮氧化物形成的温度；以及被布置成传送来自内部容积的输出气体的出口，该输出气体包括水和通过在内部容积中氧化燃料生成的氧化产物气体。
在一些实施例中，该液体进一步包括燃料，并且在一些实施例中，该气体进一步包括燃料。一些实施例规定出口与涡轮机入口流体连通。在一些实施例中，该液体进一步包括污染物，并且反应室中的最大温度处于或高于污染物的氧化温度。在一些实施例中，该气体进一步包括可以在反应室内被氧化的污染物，并且氧化室中的温度处于或高于该氧化温度以便氧化污染物。
本文描述的一些实施例包括一种逐渐氧化系统，其具有：流体入口；压缩器，其从流体入口接收并压缩包括第一燃料混合物的流体；喷注器，其将第二燃料混合物导引到流体中，该第二燃料混合物包括具有燃料和水的混合物的液体，其中水包括按体积在50%和80%之间的第二燃料混合物；以及逐渐氧化室，其从压缩器接收流体并且在没有催化剂的情况下维持流体在该腔室内的无焰氧化过程。
一些实施例进一步包括从逐渐氧化室接收加热的压缩流体并使流体膨胀的涡轮机。在一些实施例中，喷注器在流体被压缩器压缩之前导引第二燃料 混合物。在一些实施例中，喷注器在流体已被压缩之后并且在流体被接收到逐渐氧化室中之前将第二燃料混合物导引到流体中。一些实施例规定喷注器将第二燃料混合物导引到逐渐氧化室中。
一些实施例进一步包括在将第二燃料混合物导引到逐渐氧化室中之前压缩第二燃料混合物的压缩器。在一些实施例中，第二燃料混合物包括乙醇、汽油和石油馏分中的至少一种。在一些实施例中，第二燃料混合物包括按体积约25%燃料的燃料与水混合物。在一些实施例中，喷注器被配置为将第二燃料混合物作为液体喷注到系统中。在一些实施例中，喷注器被配置为将第二燃料混合物作为气体喷注到系统中。一些实施例规定第二混合物的燃料与水混合比基于第一燃料混合物的燃料与空气混合物的确定，并且一些实施例规定燃料与空气混合比基于燃料与水混合物的确定。
在本文描述的一些实施例中，一种逐渐氧化系统包括：流体入口；压缩器，其从流体入口接收并压缩包括燃料混合物的流体；喷注器，其在流体已被压缩之后将蒸汽导引到流体中；逐渐氧化室，其从压缩器接收流体并且在没有催化剂的情况下维持该逐渐氧化室内的无焰氧化过程；以及涡轮机，其从逐渐氧化室接收加热的压缩流体并使流体膨胀。
在一些实施例中，喷注器在流体被压缩器压缩之前导引蒸汽。在一些实施例中，喷注器在流体已被压缩之后并在流体被接收到逐渐氧化室中之前将蒸汽导引到流体中。一些实施例规定喷注器将蒸汽导引到逐渐氧化室中。一些实施例进一步包括在将蒸汽导引到逐渐氧化室中之前压缩蒸汽的蒸汽压缩器。
本文描述的一些用于逐渐氧化燃料混合物的方法包括：经由流体入口将空气吸入逐渐氧化系统中；将空气与燃料混合以形成燃料混合物；压缩燃料混合物；将蒸汽喷注到系统中以使蒸汽与燃料混合物结合；在逐渐氧化室中逐渐氧化燃料混合物，该逐渐氧化室在没有催化剂的情况下维持流体的无焰氧化过程；将加热的压缩流体从逐渐氧化室引导到涡轮机；以及用涡轮机使流体膨胀。
在一些方法中，蒸汽在燃料混合物的压缩之前被喷注到系统中。在一些方法中，蒸汽在燃料混合物的压缩之后并在燃料混合物的逐渐氧化之前被喷注到系统中。在一些方法中，蒸汽被喷注到逐渐氧化室中。
本文描述的一些用于逐渐氧化燃料混合物的方法包括：经由流体入口将 空气吸入逐渐氧化系统中；将空气与燃料混合以形成第一燃料混合物；压缩燃料混合物；将第二燃料混合物喷注到系统中以使第二燃料混合物与第一燃料混合物结合，第二燃料混合物包括具有燃料和水的混合物的液体，其中水包括按体积在50%和80%之间的第二燃料混合物；以及在逐渐氧化室中逐渐氧化第一和第二燃料混合物，该逐渐氧化室在没有催化剂的情况下维持流体的无焰氧化过程。
一些方法进一步包括将加热的压缩流体从逐渐氧化室引导到涡轮机并用该涡轮机使流体膨胀。在一些方法中，第二燃料混合物在流体被压缩器压缩之前被喷注到系统中。在一些方法中，第二燃料混合物在流体已被压缩之后并在流体被接收到逐渐氧化室中之前被喷注到系统中。在一些方法中，第二燃料混合物被喷注到逐渐氧化室中。一些方法进一步包括在将第二燃料混合物导引到逐渐氧化室中之前用压缩器压缩第二燃料混合物。
在一些实施例中，第二燃料混合物包括乙醇、汽油和石油馏分中的至少一种。在一些实施例中，第二燃料混合物包括按体积约25%燃料的燃料与水混合物。在一些实施例中，第二燃料混合物作为液体被喷注到系统中。在一些实施例中，第二燃料混合物作为气体被喷注到系统中。一些实施例进一步包括确定第一燃料混合物的燃料与空气混合比，并基于第一燃料混合比调整第二混合物的燃料与水混合比。
本文描述的一些实施例中，一种逐渐氧化系统包括：从固体燃料中提取气体燃料的固体燃料气化器；用净化液体从气体燃料中移除污染物的洗涤器；以及无焰燃烧室，其（i）从洗涤器接收净化液体和污染物，（ii）维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度，以及（iii）提供停留时间，以使来自洗涤器的基本全部污染物在无焰燃烧室内被氧化。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为在没有催化剂的情况下维持逐渐燃烧过程。
在该系统的一些实施例中，气体燃料由洗涤器用水净化。在某些实施例中，从洗涤器接收的污染物在水里面，并且导引器包括用于在将水导引到无焰燃烧室中之前对水加压的压缩器。无焰燃烧室优选被配置为在约0.01秒和约10秒之间维持足以氧化气体燃料的内部温度。在一些实施例中，无焰燃烧室维持最大温度低于导致氮氧化物形成的温度。
在某些实施例中，无焰燃烧室被配置为从洗涤器接收气体燃料并且在逐渐氧化过程期间氧化气体燃料。在一些实例中，来自洗涤器的基本全部气体 燃料由无焰燃烧室接收并氧化。在某些实例中，来自洗涤器的气体燃料的第一部分由无焰燃烧室接收并氧化，并且来自洗涤器的气体燃料的第二部分被分配离开该系统。在一些实施例中，无焰燃烧室经由第一入口从洗涤器接收气体燃料，并且从第二入口接收补充气体燃料。
一些实施例包括与无焰燃烧室流体连通的涡轮机。该涡轮机优选被配置为从无焰燃烧室接收加热的压缩气体并使该气体膨胀。
本发明在一些实施例中也描述了一种逐渐氧化系统，其包括：第一入口，其被配置为将污染液体连通到系统；第二入口，其被配置为将燃料连通到系统；无焰燃烧室，其接收污染液体和燃料并维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度且同时维持燃烧室中的最大温度低于导致氮氧化物形成的温度，以使液体中的燃料和污染物被氧化；以及被布置成传导来自燃烧室的输出气体的出口，该输出气体包括在燃烧室中由逐渐燃烧过程生成的氧化产物气体。在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为在没有催化剂的情况下维持逐渐氧化过程。
在某些实施例中，该系统可以被配置为使得污染液体由用水净化气体燃料的洗涤器接收。在一些实施例中，污染液体包括来自洗涤器的水。在某些实施例中，燃料包括来自洗涤器的气体燃料，并且无焰燃烧室在逐渐氧化过程期间氧化该气体燃料。可以在系统中提供压缩器，该压缩器在液体被无焰燃烧室接收之前对污染液体加压。
在一些实施例中，无焰燃烧室被配置为在约0.01秒和约10秒之间维持足以氧化气体燃料的内部温度。在某些实施例中，无焰燃烧室维持最大温度低于导致氮氧化物形成的温度。一些实施例也包括与无焰燃烧室流体连通的涡轮机，该涡轮机被配置为接收输出气体并使该输出气体膨胀。
本文描述了氧化固体燃料的方法，所述方法包括以下步骤：用固体燃料气化器从固体燃料中提取气体燃料；在洗涤器中用净化液体洗涤气体燃料以从气体燃料中移除污染物；将净化液体和污染物从洗涤器传导到无焰燃烧室；以及通过以下步骤在燃烧室中氧化污染物：（i）在燃烧室中维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度，以及（ii）提供在燃烧室内的停留时间，以使来自洗涤器的基本全部污染物在燃烧室内被氧化。
一些方法规定无焰燃烧室在没有催化剂的情况下维持逐渐氧化过程。一些方法规定气体燃料由洗涤器用水净化。在一些方法中，由燃烧室从洗涤器 接收的污染物在水里面。某些方法进一步包括在无焰燃烧室中进行氧化之前用压缩器压缩水和污染物。在一些方法中，停留时间在约0.01秒和约10秒之间。
某些方法也包括将加热的压缩气体从无焰燃烧室传导到涡轮机并在该涡轮机中使该气体膨胀。一些方法进一步包括将气体燃料从洗涤器传导到无焰燃烧室，并且在逐渐氧化过程期间氧化该气体燃料。在一些方法中，来自洗涤器的基本全部气体燃料被传导到无焰燃烧室并由其氧化。
一些方法规定来自洗涤器的气体燃料的第一部分被传导到无焰燃烧室并由其氧化，并且来自洗涤器的气体燃料的第二部分被分配离开燃烧室。在一些方法中，气体燃料经由第一入口被传导到无焰燃烧室，并且燃烧室从第二入口接收补充气体燃料。某些方法规定燃烧室维持最大内部温度低于导致氮氧化物形成的温度。
本文描述的氧化液体中的污染物的方法包括以下步骤：经由第一入口传导污染液体到无焰燃烧室；经由第二入口传导燃料到无焰燃烧室；以及通过以下步骤在无焰燃烧室中用燃料氧化污染液体中的污染物：（i）在燃烧室中维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度，（ii）维持燃烧室中的最大温度低于导致氮氧化物形成的温度，以及（iii）提供在燃烧室内的停留时间，以使来自洗涤器的基本全部污染物在燃烧室内被氧化。一些方法规定无焰燃烧室在没有催化剂的情况下维持逐渐燃烧过程。在一些方法中，停留时间在约0.01秒和约10秒之间。
某些方法规定污染液体被从用水净化气体燃料的洗涤器传导到燃烧室。在一些方法中，污染液体包括来自洗涤器的水。一些方法规定燃料包括来自洗涤器的气体燃料，并且无焰燃烧室在逐渐氧化过程期间氧化该气体燃料。某些方法进一步包括在将液体传导到无焰燃烧室之前压缩污染液体。一些方法进一步包括从无焰燃烧室传导加热的压缩气体到涡轮机并在该涡轮机中使气体膨胀。
这些概念的一个或更多实施例的详情在附图和下面的说明书中阐述。这些概念的其他特征、目标和优点将通过说明书和附图以及权利要求变得明显。
附图说明
现在将参考附图描述实施本发明的各种特征的一般架构。附图和相关描 述被提供用于图解说明本发明的实施例，而不是限制本发明的范围。在所有附图中，参考标记被重复使用以指示所指代元件之间的对应关系。
图1A是气化器发电站的实施例的图示。
图1B是气化器发电站的实施例的图示。
图2A是气化器发电站的进一步实施例的图示。
图2B是气化器发电站的进一步实施例的图示。
图3A是气化器发电站的进一步实施例的图示。
图3B是气化器发电站的进一步实施例的图示。
图4是燃气涡轮机系统的实施例的图示。
图5是燃气涡轮机系统的进一步实施例的图示。
图6是燃气涡轮机系统的进一步实施例的图示。
图7A是示出在示例性氧化反应系统中的流体流的示意图。
图7B是示出在示例性氧化反应系统中的流体流的示意图。
图7C是示出在示例性氧化反应系统中的流体流的示意图。
图7D是示出在示例性氧化反应系统中的流体流的示意图。
图8是燃气涡轮机系统的实施例的图示。
图9是燃气涡轮机系统的进一步实施例的图示。
图10是燃气涡轮机系统的进一步实施例的图示。
具体实施方式
固体燃料例如煤或生物质的气化可以用来产生气体燃料。在气化过程期间，通过在高温下用受控制量的氧气和/或蒸汽与原材料反应，含碳材料例如煤、石油、生物燃料或生物质被转化成例如一氧化碳和烃。这些过程得到可在以其他方式与固体燃料不相容的系统中用作燃料的气体。
在气化过程的一些实施例中，提供含有机材料的固体燃料。一个示例如生物质气化是生物质的不完全燃烧，其导致产生具有一氧化碳（CO）、氢气（H2）和甲烷（CH4）的可燃气体。该混合物可以被称为发生炉气体或燃料气体。该燃料气体可以用来运行内燃发动机，可以用作炉用油的替代物，并且可以用来生产甲醇。因为生物质材料可以经历气化，所以该过程在与其中仅所选择的生物质材料可以产生燃料的乙醇生产或生物气相比较时是有吸引力的。生物质气化仅被提供作为气化过程的示例，并且本发明不意图局限于生 物质气化，因为气化过程可以用其他含碳材料来实施。
在气化期间，有限量的氧气或空气与有机材料一起被导引到反应器中，从而允许一些有机材料稍微或部分氧化，产生一氧化碳和能量。该第一过程驱动第二反应，该第二反应将有机材料进一步转化成氢气和额外的二氧化碳。第三反应在一氧化碳和来自有机材料的残留水反应以形成甲烷和过量二氧化碳时发生。该第三反应在增加反应气体和有机材料的停留时间以及反应器内的热和压力的反应器中更彻底地发生。
生物质的完全燃烧产物一般含有氮气、水蒸气、二氧化碳，并且可以含有氧气和氮气。然而，在气化的不完全燃烧中，产物是可燃气体（例如CO、H2和CH4）。气化过程的较无用产物包括例如焦油和灰尘。燃料气体的产生是通过水蒸气和二氧化碳经过例如炽热的木炭层发生反应来提供的。因此在许多气化器系统中，这些过程包括创建将生物质转化成木炭的条件并将木炭维持在适当温度以将木炭转化成CO和H2。在各种类型的气化器系统中，存在例如下吸（downdraft）气化器、上吸（updraft）气化器和平吸（crossdraft）气化器。
然而，该气体燃料的若干方面以及用来形成该气体燃料的过程具有气化过程的有限实施方式。例如，大多数气化过程产生弱气体（weak gas）。例如，在一些气化过程中，燃料气体仅包括按体积约2-6%的CH4。低百分比的燃料气体限制其能够被使用的方式。本文描述了利用与由这些气化过程产生的燃料气体一样低的水平的燃料气体的方法和系统。
在许多气化过程中，湿气由于过程中所涉及的反应或燃料气体的处理而与燃料气体一起产生。在一些实例中，燃料气体必须被洗涤或净化。这可以通过用水净化气体来执行。这可能增加燃料气体的湿气含量，其可能使得燃料气体更不适用于许多应用。本文描述了由发电系统利用燃料气体和洗涤水来处理洗涤水并通过在发电系统中包括洗涤水而提高发电系统的输出的方法和系统。
气化过程也产生不期望的成分例如焦油。如上面提到，用于净化燃料气体的一种方法是用水洗涤气体。该过程是不期望的，因为水变得受焦油和从气体移除的其他烃污染。然后这种水变为有害废料，并且处置这种水可能是非常昂贵的。从气体中移除焦油也已通过过滤器来实现，这需要定期维护并可能导致周期性的系统停机以便清理或更换过滤器。本文描述了一体式气化 器发电站的实施例，其除了利用弱气化气体来产生电力之外，还用水洗涤燃料气体，然后将水提供给氧化系统，该氧化系统蒸发水并氧化焦油和其他烃。这些方法和系统产生电力并提供清洁地消耗污染水的措施。
图1A示出一体式气化器氧化系统50的实施例。固体燃料21和23经由输送器22通过气化器入口进料斗24被传送到气化器19。该气化器包括提供空气从而以导致部分或不完全氧化的方式与燃料反应的鼓风机20。通过一系列依赖温度和时间的反应，气化器将固体燃料转化成具有组分例如CO、H2和CH4的燃料气体。燃料气体也含有稀释其能量含量的氮和二氧化碳。其他复杂烃例如C4、C5、C6和C7以及灰烬也在气化过程期间形成。如上面提到，这些产物中的一些作为污染物例如焦油和微粒进入气体。
燃料气体中的污染物可能损害气体的终端用户并且必须从气体中移除。例如，若气体被冷却以便用作涡轮机燃料，则污染物可能损坏压缩机和涡轮机组件。该冷却和污染物移除例如通过在洗涤器27中用水流洗涤离开气化器的气体来实现。容纳在储箱104中的水循环通过泵108、管道28和30以及喷嘴29。一些实施例规定水在循环期间被冷却。储箱104中的水在其洗涤新鲜气流时变得逐渐污染。在一些实施例中，其他液体被用于洗涤燃料气体，并且这些实施例以类似方式操作。
如图1A所示，一体式气化器和燃气涡轮机系统50可以利用其中含有污染物的水。在一些实施例中，污染物可以是能够在逐渐氧化过程期间被氧化的焦油和其他烃。在该过程期间，焦油和烃可以被用作燃料，因为它们将被完全氧化并作为燃料对系统起作用。因此，如本文描述，具有燃料的水可以指代与燃料气体混合的水或具有将在反应室101中被氧化的污染物的水。同样，如本文描述，具有污染物的水可以指代具有来自气化器19的燃料气体或污染物的水。
图1A的示例系统50包括空气源110（例如环境空气），其可以被耦合到气化器19并且经由供应线31接收已洗涤的燃料气体。该系统也包括压缩器114、涡轮机115、热交换器122、加压装置108、蒸发室118和反应室101。一体式气化器发电站可以包括能够以相同和/或不同方式使用的额外的、更少的和/或不同的组件。
空气源110为反应室101中的氧化过程提供空气。空气源110提供来自气化器19的气体，该气体与空气混合。空气源110可以提供来自系统50周 围的大气的空气。来自空气源110的空气可以含有足以氧化燃料的任何浓度的氧气。除氧气之外，来自空气源110的空气还可以包括其他气体。例如，该空气可以包括氮气、二氧化碳和/或其他反应气体或不反应气体。
来自空气源110的空气可以被连通到压缩器114。在图1A示出的示例系统50中，压缩器114可以通过轴杆从涡轮机115接收机械旋转能。压缩器114可以利用来自涡轮机115的机械旋转能来提高压缩器114中的空气/燃料混合物的压力。在一些实施方式中，系统50可以包括以不同方式操作的压缩器。
压缩空气可以从压缩器114被连通到热交换器122。压缩过程加热空气，并且空气可以被热交换器122进一步加热。热交换器122从压缩器114接收压缩空气、加热压缩空气并将加热的压缩空气连通到反应室101。热交换器122也可以接收来自涡轮机115的排气。热交换器122可以使用来自排气的热量将压缩空气预热。例如，排气和空气/燃料混合物可以在流过热交换器122时接触传热结构的相反侧面。传热结构可以从较高温度的排气传导热能到较低温度的空气。
在示出的示例中，流体储箱104容纳包括液态水和来自气化过程的燃料和/或污染物的液体混合物102。流体储箱104可以容纳额外的和/或不同的气体、液体和/或固体物质。流体储箱104可以包括任何合适大小或配置的任何类型的液体存储系统或容器。流体储箱104可以包括提供进入和/或离开流体储箱104的流体连通的入口和/或出口。在一些示例中，液体混合物102包括液体乙醇、液体煤油和/或另一类型的液体燃料。在一些示例中，液体混合物102包括来自气化过程的焦油和其他污染物。液体混合物102可以包括来自任何水源的水。
液体混合物102可以包括来自流体源的流体。许多不同类型的流体源是可预期的。一些示例流体源包括酿酒设施、乙醇生产设施、填埋区、酒精生产设施、炼油厂、钢铁厂、化工厂、油田、饭店和/或液体燃料和/或液态水的其他来源。如本文所用，术语“流体”是广义术语并且意图包括但不限于能够类似于液体或气体流动的物质。在一些实施例中，流体燃料指代气体燃料，但在许多实施例中，流体燃料可以指代处于液态或气态中的至少一种的燃料。在一些实施例中，流体燃料可以指代液体燃料和气体燃料二者。
液体混合物102可以从流体储箱104被连通到蒸发室118中。在示出的示例系统50中，导管106和加压装置108提供流体储箱104的出口和蒸发室 118的入口之间的流体连通。加压装置108可以是泵或引起流体从储箱104流到蒸发室118中的另一类型装置。蒸发室118可以包括热交换器或提高液体混合物102的温度的另一类型加热装置。
液体混合物的温度的提高可以提高液体在蒸发室118中蒸发的速率。来自系统50和/或热能的其他来源的排气可以被用来加热蒸发室118中的液体。在示出的示例中，导管124向蒸发室118提供来自热交换器122的热能。在向蒸发室118施加热能后，排气可以通过出口112被排放到大气。
液体混合物102在蒸发室118中蒸发以形成气体混合物。在蒸发室118中形成的气体混合物可以包括来自混合物102中的液体燃料的燃料蒸气和/或来自混合物102中的液态水的水蒸气。例如，加热乙醇和水混合物的液体混合物可以蒸发乙醇和水。
在蒸发室118中形成的气体混合物可以被连通到反应室101中。在图1A所示的示例中，包括蒸发的水和燃料或污染物的气体混合物被连通到导管120中，并且从导管120进入导管128中以便与来自热交换器122的压缩的预热空气混合。因为图1A中的蒸发室118生成燃料和水的气体混合物，所以将来自蒸发室118的输出与导管120中的空气混合形成了空气、燃料和水的气相混合物。如上所述，因为污染物将在反应室101中被氧化，所以即使污染物在此也被称为燃料。
反应室101在燃料氧化时保留空气和燃料。燃料在反应室101中的氧化可以通过将燃料提升到燃料自燃温度或高于自燃温度而启动。系统50可以不依赖于氧化催化剂材料（例如铂）和/或不依赖于点火源（例如火焰或火花）在反应室101中启动氧化。可以在不将空气/燃料混合物的温度升高到阈值温度以上（例如通过在反应室中维持燃料的最大温度低于该阈值温度）的情况下在反应室101中用空气氧化燃料。阈值温度可以基于一个或更多因素确定，例如阈值温度可以是涡轮机的推荐或最大操作温度、涡轮机的推荐或最大入口温度、导致氮氧化物形成的温度、基于穿过反应室101的燃料的流速所选择的温度，和/或其他因素。
在一些实施方式中，在低于导致氮氧化物形成的温度下，燃料在反应室101中被氧化。因此，反应室101可以氧化基本全部燃料，同时仅产生最少量的氮氧化物。例如，来自系统112的排气可以包括少于百万分之一的氮氧化物、VOC和CO中的每种，并且可以甚至减小在进入的空气中含有的VOC和 CO的浓度。
在一些情况下，反应室101中的耐火材料的热质可以充当湿润器，用于吸热并防止可能损坏涡轮机和/或产生不希望的副产物（例如氮氧化物、二氧化碳、挥发性有机化合物和/或其他副产物）的过高温度。在一些情况下，反应室101中的耐火材料的热质可以提供热能的临时来源，这可以帮助维持燃料的氧化。
反应室101可以包括一个或更多入口。每个入口可以将空气、燃料、水或其任何组合连通到反应室中。例如，来自蒸发室118的气体燃料/水混合物可以被直接连通到反应室101中。在一些实施方式中，液体混合物102可以被以液态形式直接连通到反应室101中，如本文描述的实施例中将说明的那样。反应室101包括将氧化燃料和/或其他材料连通到涡轮机115的一个或更多出口。
在示出的示例中，排气管132通过导管130将排气连通到涡轮机115的入口。当水混合物中含有的燃料包括来自气化器的污染物时，可能有利的是包括与管道132成一条直线的过滤器32以确保传送到涡轮机115的加热空气不会导致损坏系统50的涡轮机或其他组件。过滤器32可以被配置为捕集由水混合物102中的污染物或其他成分的氧化所导致的灰烬或灰尘。
在加热过程期间和/或在持续操作期间，通过出口离开反应室101的气体可以包括完全氧化的燃料产物、不反应气体和仅痕量的氮氧化物与二氧化碳。在一些实例中，通过出口离开反应室101的气体可以包括多于痕量的未氧化燃料、氮氧化物、二氧化碳和/或其他材料。
涡轮机115将氧化产物气体的能量转化成旋转机械能。示例涡轮机115通过涡轮机入口接收被氧化的燃料，使被氧化的燃料在涡轮机入口和涡轮机出口之间膨胀，并通过涡轮机出口传送膨胀气体。在一些实施方式中，混合物在反应室101中保留足够长的时间以氧化混合物中的基本全部燃料，包括来自气化器的污染物。在一些情况下，通过氧化所蒸发的燃料和/或液体混合物102中的污染物而在反应室101中释放的热量可以提供充足的热能来将进入的燃料加热到氧化温度，同时维持反应室101的内部温度高于氧化燃料所需要的温度并向涡轮机115提供动力。
在输出气体向涡轮机115提供动力之后，涡轮机115将输出气体的热能转化成旋转机械能。涡轮机115的旋转机械能驱动压缩器114，并且涡轮机 115将输出气体从涡轮机115的出口连通到热交换器122。输出气体向热交换器122提供热能，然后优选被连通到蒸发室118以便向蒸发室118提供热能。输出气体通过出口112例如通过排气烟囱离开系统。
在储箱104中洗涤和/或冷却水（或其他冷却液）将从气化器中的气流收集焦油、微粒和其他可溶污染物。液体由泵108通过管道28输送到洗涤容器27，其中该液体在通过管道26离开气化器19并进入洗涤容器27的气流上喷雾。洗涤液体收集来自气体的焦油和微粒并且经由管道30运送焦油和微粒到储箱104中。当水或液体中的焦油和微粒的浓度达到该浓度充分高的点时，脏水或液体被泵入蒸发器18中。可以添加冷却系统从而在将液体再循环以便进一步洗涤之前降低液体温度。蒸发器118用离开热交换器122的气体加热，但保持充分热以蒸发脏水或液体。来自蒸发器18的蒸汽被输送到管道128，并从那里被输送到反应室101，在此处蒸汽的燃料部分和污染物部分被氧化以便从气体中回收任何有用的热量。
在一些实例中，脏水过度污染并且蒸发器118不能用废热蒸发水中全部的污染物。对于这样的状况，可以使用图2A-3B中示出的系统。
图2A示出一体式气化器系统60的进一步实施例。在该配置中，蒸发的水与蒸发的或携带的污染物一起被从蒸发器118直接导引到反应室101中，此后反应基本上如前进行。
图3A示出一体式气化器系统70的进一步实施例，其中污染水被直接喷雾到反应室101中而无需首先经过蒸发室118。一旦在反应室101里面，则水和污染物被氧化，并且因此形成的气体行进穿过反应室101并进入涡轮机115。若水的喷雾趋向于冷冻反应室101，则流动可以缩减或暂时停止直到反应室101再次充分热。携带的任何灰烬将被捕集到反应室101内部的多孔介质上或者热过滤器32中。捕集灰烬的其他可能的措施包括使用重力、流动的方向改变或旋风型分离器。可替换地，可以使用双系统以使得如果灰烬含量过高则可以使用第二反应室101，从而在从一个反应室移除灰烬时另一个反应室在服务中。
污染水的处置可能有助于或者可能无助于改善系统的效率和/或输出，这取决于如何执行该过程。如果污染水含有显著量的烃，则烃中的能量可以被释放，因此使用否则将浪费的燃料来提高功率输出。同样，如果来自系统的废热被用来在图1A-2B的配置中生成蒸汽，则系统的总效率可以改善。
在上面描述的一些配置中，反应室101内部的温度可以维持在低于2300F，该温度是有害NOx开始形成的温度。这些实施例因此具有防止NOx形成的附加益处。
图1B、图2B和图3B阐述了具有与图1A、图2A和图3A所示的特征类似的许多特征的一体式气化器发电站的实施例。在图1B、图2B和图3B示出的实施例中，系统被配置为除了将由气化器产生的气体燃料通过空气源110引导到反应室101之外，还重新引导气体燃料以便在系统外部使用。导管33被显示为连接到洗涤器27和导管31。当在反应室101内对气体燃料具有较低需求时，气体燃料可以通过导管33被重新引导以便在系统外部使用。当在反应室101内对气体燃料具有较大需求时，通过导管33被重新引导以便在系统外部使用的气体燃料的量可以减小，以便为反应室101内的氧化过程提供足够的气体燃料。通过导管33被重新引导的气体燃料的量可以减小到某一点，在该点处来自洗涤器27的全部气体燃料都被引导到空气源110。
本发明的一个优点是通过逐渐氧化过程来完成反应室内的燃料和污染物的氧化。在该逐渐氧化过程期间，反应室内的温度被维持在完全氧化燃料和污染物而不产生有害排气的温度。因为使用逐渐氧化过程，所以燃料的湿气含量不会有害地影响燃料的氧化。在许多燃烧室中，湿气含量可能遏制燃料点火并由此使得燃烧室不可靠。然而，因为逐渐氧化过程是在没有燃料燃烧的情况下实现的，所以可以在不考虑增加的湿气含量的情况下实现燃料和污染物的氧化。实际上在许多实例中，增加的湿气含量可以提供额外的优点。
在下面描述的是可以结合一体式气化器发电站一起使用的逐渐氧化系统的进一步实施例。尽管在这些实施例中没有说明气化器，但本领域技术人员基于系统的先前描述和下面描述的操作将理解气化器如何工作。在以下实施例中，除非以其他方式明确解释，水/燃料混合物可以包括含有将在反应室中由逐渐氧化过程氧化的气化污染物的供水，因为污染物可以在该过程中作为燃料操作。
如上所述，因为燃料的含水量是不可燃的，所以含水燃料经常不与一些常规燃烧过程相容。此外，水在燃料点火时蒸发，并且蒸发的潜热从燃烧过程带走热量。如果燃料的含水量过高，则燃烧不可能发生。乙醇，即可以得自于水果、甘蔗、谷物、纤维废物和其他来源的普通酒精，已被用作可再生燃料，但通常通过首先生产乙醇和水的稀释混合物并且然后从混合物中分离 水来生产乙醇。水和乙醇完全可互溶，并且水的分离需要昂贵的蒸馏。甚至蒸馏通常不能从乙醇中移除全部水，并且通常需要特殊工艺来使乙醇变得完全无水。类似地，来自燃料箱和废水收集箱的油/水混合物经常被运送到水分离和/或销毁设施以便处理，这可能是非常昂贵的。能够有效地消耗燃料和水的混合物的燃气涡轮机可以降低燃料消耗、燃料成本、清理需求和/或环境影响。在一些常规系统中，液体燃料与任何携带的水的蒸发的潜热降低燃气涡轮机动力循环的效率。
在图4所示的示例系统100中，燃料/水混合物102被存储在储箱104中。燃料/水混合物102可以包括来自气化器的污染物。可以使用加压装置108将该混合物泵送穿过热交换器/蒸发器118。通过管道124离开热交换器122的热排气被输送到蒸发器118，在此处该热排气蒸发液体燃料/水混合物。通过用否则将被排放到大气的过剩热量蒸发液体燃料和水，蒸发的潜热由过剩热源提供并因此不显著降低系统效率。
在一些实施方式中，总体系统效率可以改善。例如，据估计对于许多普通液体燃料（例如乙醇、汽油、石油馏分和/或其他燃料），具有按体积25%的燃料的燃料/水混合物可以仅用可从系统排气获得的过剩热量来蒸发。额外的益处是蒸发的水可以增加气体混合物的质量流量，并因此也可以增加涡轮机的功率输出。在一些实施例中，水/燃料混合物可以包括来自气化器的污染物。
在一些实施方式中，可以通过减少污染物和/或其他有害材料的排放来减少环境影响。例如，系统100可以按照减少或消除氮氧化物（NOx）、一氧化碳（CO）、挥发性有机化合物（VOC）和/或其他类型的潜在有害气体的方式来氧化燃料。
在一些实施方式中，系统100可以通过在持续操作期间维持燃料的最大温度低于2300℉（高于2300华氏度（℉）的温度可以导致氮氧化物形成）来减少或消除氮氧化物形成。通过控制在反应室内部的温度和停留时间，燃气涡轮机系统可以生成具有少于百万分之一（ppm）的一氧化碳（CO）和/或少于1ppm的氮氧化物（NOx）的排气。在一些实施例中，系统100可以被配置为生成具有少于5ppm的NOx的排气。在一些实施例中，系统100可以被配置为生成具有少于3ppm的NOx的排气。在一些实施例中，系统100可以被配置为生成具有少于2ppm的NOx的排气。一些系统生成具有15ppm或 更多CO和/或15ppm或更多NOx的排气。
在一些实施例中，系统100被配置为通过维持反应室101内的最大温度低于氮氧化物的可观形成的阈值温度来减少或消除氮氧化物的形成。例如，在一些实施例中，反应室101内的最大温度低于2300F。在一些实施例中，反应室101内的最大温度在约2000F和约2300F之间。在一些实施例中，反应室101内的最大温度在约2100F和约2300F之间。在一些实施例中，反应室101内的最大温度在约2200F和约2300F之间。在一些实施例中，反应室101内的最大温度可以大于约2300F或小于约2000F。
一些燃料/水混合物（例如乙醇/水混合物、生物炼制副产物和其他物质）是可以相对简单生产的，但对一些当前发电站来说需要额外的处理。这样的燃料可以直接用于本文描述的系统来产生电力，并且在一些情况下甚至比不与水混合的燃料产生更多的电力。在一些情况下，发电站可以基于主要是水的燃料/水混合物运行。例如，蒸发的燃料/水混合物可以被连通到氧化燃料的反应室中，并且来自氧化燃料的能量可以驱动涡轮机。
在一些实例中，通过使用来自涡轮机的废热在将燃料/水混合物连通到反应室中之前蒸发燃料/水混合物的全部或部分来进一步提高效率。此外，因为由水生成的蒸汽，所以经过系统的质量流量可以增加，这可以导致系统输出的进一步增加。增加的输出（不增加燃料输入）也可以提高效率。在一些实施方式中，来自这种系统的水蒸气使经过氧化剂的质量流量增加高达约6%，并使最终效率和潜在输出增益增加高达约5%。例如，在200kW系统中，在没有燃料消耗增加的情况下功率增加可以是约12kW。
在一些实施例中，可以用来自发电站的废热蒸发约25%的乙醇和约75%的水的混合物，并且涡轮机系统可以处理得到的蒸发混合物以输出能量。在一些实施例中，混合物可以包括约20%的乙醇和约80%的水，并且在更进一步的实施例中，混合物可以包括约15%的乙醇和约85%的水。在进一步的实施例中，混合物可以包括比约85%更高的含量的水和/或比约15%更低的含量的乙醇。例如，在一些实施例中，混合物可以包括高达约15%的乙醇。在一些实施例中，混合物可以包括在约2%和约15%之间的乙醇。在具有低燃料含量的实施例，例如具有乙醇成分在约2%和约15%之间的混合物的实施例中，可以添加额外燃料以补充低燃料含量混合物，如本文进一步所解释。在一些实施例中，可以按照相同或相似的比率使用不同于乙醇的其他燃料。
图4示出能够利用与水混合的燃料的燃气涡轮机系统100的示例。该示例系统100包括空气源110（例如环境空气）、压缩器114、涡轮机115、热交换器122、液体储箱104、加压装置108、蒸发室118和反应室101。如图4所示，示例系统100也可以包括发电机119。在示出的示例系统中，轴杆105将涡轮机115机械耦合到压缩器114和发电机119（涡轮机115、压缩器114和发电机119的组合被称为涡轮发电机）。燃气涡轮机系统可以包括可以按照相同和/或不同的方式使用的额外的、更少的和/或不同的组件。
示例性空气源110为反应室101中的氧化过程提供空气。在氧存在的情况下，烃燃料在它们被加热到高于其自燃温度时被氧化。空气源110提供含氧气体，其与燃料混合以氧化该燃料。在一些实施例中，空气源110由气化器向系统100提供，如本文的实施例中所解释。空气源110可以提供来自系统50周围的大气的空气。来自空气源110的空气可以含有足以氧化该燃料的任何浓度的氧气。来自空气源110的空气可以包括除氧气之外的其他气体。例如，空气可以包括氮气、二氧化碳和/或其他反应或不反应气体。
在一些实施例中，燃烧气体可以被添加到空气源110中以调整系统100的性能。例如，在低燃料含量混合物不含有足够用于可自持续销毁的燃料或者氧化过程不能维持的实施例中，可以在空气源110处添加燃烧气体与空气以便为氧化过程提供充足燃料。可以在空气源110处添加的燃烧气体包括例如但不限于氢气、甲烷、乙烷、乙烯、天然气、丙烷、丙烯、丙二烯、正丁烷、异丁烷、1-丁烯、丁二烯、异戊烷、正戊烷、乙炔、己烷和一氧化碳。
在一些实施例中，在空气源110处添加的燃烧气体量可以基于在燃料/水混合物102中检测的燃料量调整。如果燃料/水混合物102的燃料含量改变以使得在混合物102中有不期望的燃料浓度，则在空气源110处添加的燃烧气体量可以相应地增加或减少。在一些实施例中，在空气源110处添加的燃烧气体量基于由系统100接收的燃料/水混合物102中的燃料含量的量。在一些实施例中，在空气源110处添加的燃烧气体量基于燃料/水混合物102中的燃料含量的量与反应室101内的温度的组合。在一些实施例中，在空气源110处添加的燃烧气体量基于燃料/水混合物102中的燃料含量的量与反应室101内的温度变化或温度变化率的组合。
可以在液体储箱104中、在加压装置108和蒸发室118之间或者在蒸发室118和反应室101之间检测燃料/水混合物102中的燃料含量的量。由于在 一些实例中燃料/水混合物102中的一些燃料可以在燃料/水混合物102被蒸发室118加热时氧化，因此一些实施例规定在蒸发室118和反应室101之间检测燃料/水混合物102的燃料含量。在这样的实施例中，在空气源110处添加的燃烧气体量基于在蒸发室118和反应室101之间检测的燃料/水混合物102的燃料含量。
在一些实例中，燃料/水混合物102可以含有不被认为是燃料的额外成分。例如，在一些实施例中，燃料/水混合物102可以包括污染物和水。污染水可以是一些其他过程的副产物，并且污染水被传导到系统100以氧化污染水或废水。例如，如上所述，污染水可以来自作为气化器的一部分的洗涤器。在气化过程中，水被用来在分配气体燃料以便使用之前净化所产生的污染物气体燃料。然后例如通过在液体储箱104中沉积污染水来将污染水传导到系统100。然后以类似于上面关于燃料/水混合物102描述的方式将污染水抽取到系统100中，并且当污染物在反应室101中被氧化时水被蒸发。以此方式，系统100可以作为处理和净化污染水、有毒水或废水的装置进行操作。系统100可以作为在净化污染水的同时产生如有的话则最少量的有害气体副产物的污染控制装置进行操作。
在燃料/水混合物102包括非常低的燃料含量、低燃料含量和污染水的组合或者仅污染水的实施例中，补充气体燃料可以由空气源110导引到系统100中，如在上面所解释。在一些实施例中，气体燃料是维持反应室101中的氧化过程的基本唯一燃料。一些实施例规定该气体燃料是由气化器产生的气体燃料的至少一部分。
在一些实例中，向系统100提供的污染水可以在反应室101中的氧化之前用液体燃料补充。例如，如果来自气化器的污染水被沉淀到液体储箱104中，则液体燃料可以被添加到液体储箱104以增加燃料/水混合物102的燃料含量。可以附加于或替代在空气源110处导引气体燃料而执行该过程。
来自空气源110的空气可以被连通到压缩器114。在图4所示的示例系统100中，示例压缩器114通过压缩器入口接收来自空气源110的空气，压缩所接收的空气，并通过压缩器出口传送压缩空气。压缩器114可以通过轴杆105从涡轮机115接收机械旋转能量。压缩器114可以利用来自涡轮机115的机械旋转能量增加压缩器114中的空气/燃料混合物的压力。在一些实施方式中，系统100可以包括以不同方式操作的压缩器。示例轴杆105将来自涡轮机115 的旋转能量传递到压缩器114和发电机119。在一些实施方式中，轴杆105可以包括多个轴杆。例如，第一轴杆可以将来自涡轮机115的能量传递到压缩器114，并且第二轴杆可以将来自涡轮机的能量传递到发电机119。
压缩空气可以从压缩器114被连通到热交换器122。压缩过程加热空气，并且热交换器122可以进一步加热空气。示例热交换器122接收来自压缩器114的压缩空气，加热该压缩空气，并将加热的压缩空气连通到反应室101。热交换器122也可以接收来自涡轮机115的排气。热交换器122可以使用来自排气的热量预热压缩空气。例如，排气和空气/燃料混合物可以在流过热交换器122时接触传热结构的相反侧面。该传热结构可以将热能从较高温度的排气传导到较低温度的空气。在一些实施方式中，系统100可以包括以不同方式操作的热交换器。例如，系统100可以使用来自不同来源的热量来预热空气，或者系统100可以在不预热混合物的情况下将空气连通到反应室101中。
在将空气和燃料连通到反应室101中之前，空气可以与燃料混合以形成空气/燃料混合物。一般地，空气可以在系统100中的任何点处与燃料组合。例如，在将空气连通到压缩器114中之前、在将空气连通到热交换器122中之前、在将空气连通到反应室中之前和/或在将空气连通到反应室101中之后，燃料可以与空气混合。在图4所示的示例中，在热交换器122和反应室101内部之间的导管128中，空气与燃料混合。在导管128中接收的燃料包括通过在蒸发室118中蒸发液体混合物102而形成的气态燃料。在一些实例中，空气和燃料可以在进入反应室的入口处混合。
在示出的示例中，流体储箱104容纳包括液体燃料和液态水的液体混合物102。流体储箱104可以容纳额外的和/或不同的气体、液体和/或固体物质。流体储箱104可以包括任何合适大小或配置的任何类型液体存储系统或容器。流体储箱104可以包括提供进入和/或离开流体储箱104的流体连通的入口和/或出口。在一些示例中，液体混合物102包括液体乙醇、液体煤油和/或另一类型液体燃料。液体混合物102可以包括来自任何水源的水。
在一些实施方式中，液体混合物102中的水包括污染物、微粒、有毒材料和/或其他类型物质。在一些实施例中，污染物、微粒、有毒材料和/或其他类型物质可以是在气化器中用水洗涤气流的结果。一般地，液体混合物102可以具有任何比率的水和燃料。在一些示例中，液体混合物102包括低百分 比的液体燃料（例如25%），而在一些示例中，液体混合物102包括较高百分比的液体燃料（例如30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%或更多）。在一些示例中，液体混合物102包括低百分比的液态水（例如20%、10%或更少）；而在一些示例中，液体混合物102包括较高百分比的液态水（例如30%、40%、50%、60%、70%或更多）。反应室101优选被配置为充分氧化燃料、污染物、微粒、有毒材料和/或其他类型物质以使得排气或产物较无害。例如，在一些实施例中，这些物质被分解成至少CO2、H2O和O2。在一些实施例中，这些物质基本上仅被分解成CO2、H2O和O2。
在一些情况下，液体混合物102可以仅包括液体燃料和液态水，而在混合物102中没有其他材料。液体混合物102可以包括除液体燃料和液态水之外的其他材料。例如，液体混合物102可以包括额外的和/或不同的液体、气体和/或固体。在一些情况下，额外的水可以被添加到液体混合物102以增加燃气涡轮机系统100的功率输出。
液体混合物102可以包括来自流体源的流体。许多不同类型的流体源是可预期的。一些示例流体源包括酿酒设施、乙醇生产设施、填埋区、酒精生产设施、炼油厂、钢铁厂、化工厂、油田、饭店和/或液体燃料和/或液态水的其他来源。
液体混合物102可以从流体储箱104被连通到蒸发室118中。在示出的示例系统100中，导管106和加压装置108提供流体储箱104的出口和蒸发室118的入口之间的流体连通。加压装置108可以是泵或致使流体从储箱104流到蒸发室118中的另一类型装置。蒸发室118可以包括热交换器或升高液体混合物102的温度的另一类型加热装置。
液体混合物的温度的升高可以提高液体在蒸发室118中蒸发的速率。来自涡轮机系统100的排气和/或其他热能来源可以被用来在蒸发室118中加热液体。在示出的示例中，导管124从热交换器122向蒸发室118提供热能。在给予蒸发室118热能后，排气可以通过出口112被排放到大气。
液体混合物102在蒸发室118中蒸发以形成气体混合物。在蒸发室118中生成的气体混合物可以包括来自混合物102中的液体燃料的燃料蒸气和/或来自混合物102中的液态水的水蒸气。例如，加热乙醇和水混合物的液体混合物可以蒸发乙醇和水。蒸发物质的比率可以基于局部压力。
蒸发液体混合物102可以包括蒸发水以形成包括气态水的气体混合物， 并且蒸发液体混合物102可以包括蒸发燃料以形成包括气态燃料的气体混合物。该气体混合物可以包括任何气态，例如蒸汽状态和/或由蒸发过程生成的另一类型气态。例如，该气体混合物可以包括由任何类型汽化过程导致的汽化液体例如水蒸气和/或燃料蒸气。在蒸汽状态中，蒸汽的局部压力可以处于或高于沸点压力，并且/或者蒸汽的温度可以处于或高于沸点温度。该气体混合物可以处于沸点温度和/或沸点压力以下。
液体的蒸发过程可以包括在低于液体沸点的温度下的液相到气相转换。蒸发过程可以包括额外和/或不同类型的汽化过程。例如，在一些实例中，蒸发过程可以包括沸腾和/或由液体形成气体的其他热动力过程。用于蒸发液体混合物102的热量可以部分或完全由来自热交换器122的排气提供。除燃料和/或水之外，在蒸发室118中形成的气体混合物也可以包括其他材料。例如，来自液体混合物102的蒸汽可以与额外的和/或不同的液体、气体和/或固体混合。
在蒸发室118中形成的气体混合物可以被连通到反应室101中。在图4所示的示例中，包括蒸发的水和蒸发的燃料的气体混合物被连通到导管120中，并且从导管120进入导管128以便与来自热交换器122的压缩的预热空气混合。因为图4中的蒸发室118生成燃料和水的气态混合物，所以来自蒸发室118的输出与导管120中的空气的混合将形成空气、燃料和水的气相混合物。空气/燃料/水混合物可以具有低浓度的燃料，例如低于燃料的爆炸下限（LEL）浓度。
该混合物可以具有低热值，例如约15btu/scf或更低，或者该混合物可以具有较高热值。该混合物可以是例如不能维持明火的不可燃混合物。在一些实施方式中，从液体混合物102蒸发的燃料足以维持系统100的操作。
系统100可以额外包括能够将空气与燃料和水的蒸发混合物进行混合的混合器（未示出）。空气可以在没有混合器装置的情况下与燃料和水混合，例如通过将蒸发的混合物燃料喷注到空气流中。在一些示例中，空气、燃料、水和/或其他物质可以在系统100中的另外的点和/或不同的点处混合。例如，在将空气连通到压缩器114中之前，来自空气源110的空气可以与额外的燃料组合。在一些实例中，反应室101可以包括将空气从空气源110直接引导到反应室101中的空气入口。在一些实施方式中，空气可以作为控制流被导引到反应室101中，例如用于冷却反应室101中的高温区域。在一些实施方 式中，空气和蒸发的混合物可以被分离地连通到反应室101中以便在反应室101中形成空气/燃料/水混合物。
反应室101在燃料氧化时维持空气和燃料。可以通过将燃料温度提升到燃料的自燃温度或高于该自燃温度来启动燃料在反应室101中的氧化。系统100可以不依赖于氧化催化剂材料（例如铂）和/或不依赖于点火源（例如火焰或火花）在反应室101中启动氧化。在不提升空气/燃料混合物的温度高于阈值温度的情况下，例如通过在反应室中维持燃料的最大温度低于阈值温度，可以在反应室101中用空气氧化燃料。
可以基于一个或更多因素确定阈值温度，例如阈值温度可以是涡轮机的推荐或最大操作温度、涡轮机的推荐或最大入口温度、导致氮氧化物形成的温度、基于穿过反应室101的燃料流速所选择的温度和/或其他因素。
在一些实施方式中，在低于导致氮氧化物形成的温度下，燃料在反应室101中被氧化。因此，反应室101可以在氧化基本全部燃料的同时仅产生最少量的氮氧化物。例如，来自系统100的排气可以包括少于百万分之一的氮氧化物、VOC和CO中的每种，并且甚至可以降低进入的空气中含有的VOC和CO的浓度。
反应室101可以包括内衬有绝缘耐火材料的内部容积。可以在反应室101中提供被称为填充材料的高温吸热和/或抗热材料例如陶瓷或岩石。填充材料可以具有促进缓慢氧化流过反应室101的弱燃料的热质。该热质可以通过向进入的气体发送热量并从氧化气体接收热量来帮助稳定燃料的逐渐氧化的温度。
在一些情况下，反应室101中的耐火材料的热质可以充当缓冲器，用于吸收热量并防止可能损坏涡轮机和/或产生不期望的副产物（例如氮氧化物、二氧化碳、挥发性有机化合物和/或其他副产物）的过高温度。在一些情况下，反应室101中的耐火材料的热质可以提供热能的临时来源，其可以帮助维持燃料的氧化。
反应室101的体积和形状以及整个系统的配置可以被设计为提供穿过反应室的受控流动和流速，以允许充足的停留时间用于燃料的完全氧化。流径可以足够长，以使得在该流径的长度上被平均的空气和燃料混合物沿该流径的流速允许燃料完全氧化。作为示例，在一些情况下，气体在该室中的平均停留时间可以等于或大于一秒。在一些情况下，气体在该室中的平均停留时 间可以小于一秒。在一些实施例中，气体在该室中的停留时间可以在从约0.1秒到约10秒的范围内。在一些实施例中，气体在该室中的停留时间可以在从约0.5秒到约5秒的范围内。在一些实施例中，气体在该室中的停留时间可以在从约0.5秒到约2秒的范围内。在一些实施例中，气体在该室中的停留时间可以在从约0.5秒到约1秒的范围内。在一些实施例中，气体在该室中的停留时间可以在从约1秒到约2秒的范围内。在一些实施例中，气体在该室中的停留时间可以小于约0.1秒或大于约10秒。混合物的氧化速率是燃料成分、燃料浓度、氧浓度、压力、温度和其他因素的函数。因此，可以通过相应地调整这些参数来调整氧化速率。
反应室101也可以包括一个或更多传感器，用于检测多种性质例如温度、压力、流速或与燃气涡轮机系统100的起动和/或操作相关的其他性质。反应室101也可以包括控制氧化过程的多个方面的内部结构和/或装置。例如，反应室101可以包括分流器、阀门和/或控制反应室中的流体的温度、压力、流速和/或其他方面的其他特征件。
反应室101可以包括一个或更多入口。每个入口可以将空气、燃料、水或其任何组合连通到反应室中。例如，来自蒸发室118的气体燃料/水混合物可以被直接连通到反应室101中。在一些实施方式中，液体混合物102可以被直接以液态连通到反应室101中。反应室101包括将被氧化的燃料和/或其他材料连通到涡轮机115的一个或更多出口。
在示出的示例中，排气管132通过导管130将排气连通到涡轮机115的入口。在加热过程期间和/或在持续操作期间，通过出口离开反应室101的气体可以包括完全氧化的燃料产物、不反应气体和仅痕量的氮氧化物与二氧化碳。在一些实例中，通过出口离开反应室101的气体可以包括多于痕量的未氧化燃料、氮氧化物、二氧化碳和/或其他材料。
在操作中，反应室101可以被加压，例如高于大气压力和/或高于反应室101外部周围的环境压力。反应室中的压力可以由压缩器114和/或另一加压装置提供。在一些实例中，加压反应室101中的压力大于两磅每平方英寸规格（即比反应室外部周围的环境压力高出多于两磅每平方英寸）。在一些实例中，反应室101中的压力在操作期间是十到五十磅每平方英寸规格或更大。
被连通到加压反应室101中的材料可以在高压例如比反应室101内部的压力更高的压力下被导引到加压反应室101中。例如，空气、燃料和/或水可 以在反应室101的内部压力或高于该内部压力的条件下被导引到加压反应室101中。反应室101中的高压力致使流体从反应室连通到涡轮机115中，这允许来自反应室101的输出气体向涡轮机提供动力。
涡轮机115将氧化产物气体的能量转化成旋转机械能。示例涡轮机115通过涡轮机入口接收被氧化的燃料，使被氧化的燃料在涡轮机入口和涡轮机出口之间膨胀，并通过涡轮机出口传送膨胀气体。涡轮机115可以通过轴杆105向压缩器114传输机械旋转能。涡轮机115可以通过轴杆105向发电机119传输机械旋转能。在一些实施方式中，系统100可以包括以不同方式操作的涡轮机。
发电机119将来自涡轮机115的旋转能量转化成电能。例如，发电机119可以向电网或存储电力和/或在电力上操作的系统输出电力。在一些实施方式中，发电机119可以在起动期间向压缩器114提供机械能。例如，发电机可能能够在将电能转化为机械能的电动模式中操作。在一些实例中，系统100可以在不向发电机119提供能量的情况下操作。例如，系统100可以不依赖于输出功率而作为热氧化器进行操作以销毁燃料和/或其他材料（例如液体混合物102中的材料）。
在示例系统100的操作的一些方面，反应室101在反应状态中操作。空气源110向压缩器114提供空气。压缩器114压缩该空气并将压缩空气连通到热交换器122。热交换器122加热该压缩空气。包括液体燃料和液态水的液体混合物102通过加压装置108被连通到蒸发室118中。液体混合物102在蒸发室118中蒸发以形成气体混合物。该气体混合物包括均为气相的燃料和水，其可以包括燃料和/或水蒸气。该气体混合物在导管128中与加热的压缩空气组合。所产生的空气、燃料和水的混合物被导引到反应室101中。在反应室101中该混合物被加热并且燃料被氧化。
在一些实施方式中，混合物在反应室101中保留足够长时间以便氧化混合物中基本全部的燃料。在一些情况下，通过氧化来自液体混合物102的蒸发燃料在反应室101中释放的热可以提供充足的热能来将进入的燃料加热到氧化温度，同时维持反应室101的内部温度高于氧化燃料所需要的温度并向涡轮机115提供动力。
包括氧化产物气体和水的输出气体通过反应室101被连通到反应室出口并进而到达涡轮机115。离开反应室的输出气体的温度可以为大约1600℉或 更高，或者输出气体可以具有较低温度。输出气体可以在进入涡轮机入口之前被过滤。氧化产物气体可以用在涡轮机115之前施加到氧化产物的流体（例如空气和/或另一气体或液体）冷却，例如用于防止使涡轮机115过热。
输出气体向涡轮机115提供动力，并且涡轮机115将输出气体的热能转化成旋转机械能。涡轮机115的旋转机械能驱动压缩器114和/或发电机119。涡轮机115将输出气体从涡轮机115的出口连通到热交换器122。输出气体向热交换器122提供热能。输出气体也可以被连通到蒸发室118并向蒸发室118提供热能。输出气体通过例如排气烟囱离开系统。
该氧化系统能够通过处理具有任何浓度的燃料和/或污染物的废水、废液和废混合物来作为污染控制装置进行操作。该系统也能够通过供应额外的液体燃料或气体燃料维持反应来处理具有不适合提供自持续反应的浓度的废气和废混合物。因此，该系统能够提供气体和/或液体的废物销毁，同时提供较高的效率、提高的功率和改善的环境安全的副产物的益处。
图5示出可以利用与水混合的燃料的另一示例性燃气涡轮机系统200。这些实施例包括来自气化器的污染物，该污染物可以通过逐渐氧化过程在反应室101中被氧化。在示例系统200中，液体混合物102被导引到导管128中的加热空气流中。液体混合物102由加压装置108从储箱104连通，并且从加压装置108通过导管134连通。图5中的液体混合物102被从导管134连通到导管128中，在此处液体混合物102与加热空气混合。来自导管128中的加热空气的热能蒸发液体混合物102以形成气体混合物。因此，示例系统200不需要独立的蒸发室。空气中的热能可能足以在液体混合物102进入反应室101之前蒸发液体混合物102。系统200的其他方面可以基本上如关于图4中的示例系统100描述来操作。
在图5中，液体混合物102被显示为在热交换器122下游进入空气流。如果空气中的热能足以蒸发该混合物，则液体混合物102可以额外地或可替换地被导引到热交换器122上游。尽管该方案可能降低系统的效率，但其可以允许使用较弱的燃料/水混合物。另外，热交换器122的出口处的排热可以用于其他应用。
图6示出可以处理液体的燃气涡轮机系统300的示例。系统300包括燃料源136和液体源131。在一些实施例中，液体源131可以用来自气化器的液体（例如水）供应。在这样的实施例中，液体可以包括能够在反应室101中 的逐渐氧化过程期间被氧化的污染物。流体储箱104中的液体混合物138包括来自液体源131的液体。在一些实施方式中，系统300由液体燃料和气态燃料的组合供能。例如，气态燃料可以由燃料源136提供，并且液体燃料可以由液体源131提供。在一些实施方式中，系统300仅由或主要由来自液体源131的液体燃料供能，并且燃料源提供极少燃料或不提供额外的燃料。在一些实施方式中，系统300仅由或主要由来自燃料源136的气态燃料供能，并且液体源131提供极少燃料或不提供额外的燃料。
在一些实例中，示例燃料源136向系统300提供燃料以便维持反应室101中的氧化过程和/或加热反应室101。示例系统300可以利用初始为气态的燃料，和/或系统300可以利用能够转化成气体或蒸汽的液体或固体燃料。
燃料源136可以提供单一类型燃料和/或其中一种或全部可以在反应室101中被氧化的多个不同类型燃料。燃料源136可以提供烃燃料和/或其他类型燃料。燃料源136可以提供弱燃料（weak fuel）。弱燃料可以包括低BTU气体（即每单位质量低能量）和/或具有低发热值的燃料。弱燃料可以包括含有浓度低于可维持明火和/或其他燃烧反应的浓度的燃料的气体。例如，燃料可以与空气混合，所得到的燃料浓度低于燃料的爆炸下限（LEL）浓度。
在一些实例中，即使在空气存在的情况下，将这样的弱燃料导引到火花或火焰也可能扑灭该火花或火焰而不能氧化混合物中的燃料。然而，当弱燃料被升高到高于其自燃温度的温度时，燃料可以在空气存在的情况下被氧化，而无需引入火花或火焰。弱燃料的具体示例包括主要是二氧化碳或氮器且含有少量甲烷、乙烷、一氧化碳和其他类型燃料的气体。这种气体经常从所谓的无产出物的天然气井发射出。燃料源136可以提供不同于弱燃料的燃料或除了弱燃料之外的燃料。例如，在一些实施方式中，除弱燃料之外或代替弱燃料，燃料源136可以提供丙烷、丁烷、煤油、汽油和/或其他类型燃料。在一些情况下，燃料源136可以提供氢燃料。
燃料源136可以包括从填埋区发出的气体，该气体可能仅含有微小百分比的甲烷燃料（例如3%或更少）。具有这样低浓度甲烷的气体可能低于爆炸下限。燃料的爆炸下限（LEL）可以指代在点火源存在的情况下能够产生火焰闪烁的空气中燃料的最低浓度。低于LEL的浓度通常对于燃烧来说太弱。不同类型的燃料具有不同的LEL值，其通常在按体积约1%到5%的范围中，尽管一些燃料具有在该近似范围之外的LEL。LEL值的一些特别示例是（基于 体积近似地）：对于乙烷为3%、对于氢气为4%、对于甲烷为5%和对于丙烷为2%。
来自燃料源136的燃料可以是天然（例如非人类的）燃料源或人造（例如人类的）燃料源。例如，燃料源136可以提供来自牲畜喷出物、沼泽地、水稻农场的甲烷和/或由发酵或有机物的其他生物或化学处理产生的甲烷。其他示例性燃料源可以包括粪肥、市政废物、湿地、从系统300或其他系统的裂缝中泄漏渗出的气体以及钻井和开采操作。在一些实施方式中，燃料源136包括与水混合的燃料，并且来自燃料源136的燃料包括水蒸气。在一些实施方式中，燃料源136仅将气体燃料连通到系统300。系统300也可以利用一个或更多补充燃料源。例如，可以由燃料源136向系统提供气体燃料，并且可以由液体源131向系统300提供液体燃料。
在提供固体燃料的实例中，转化过程可以用来将固体燃料转化成气体燃料，然后可以通过经由燃料源136喷注燃料气体来由系统300使用该气体燃料。转化过程可以包括气化器，如上面所解释。在提供液体燃料的实例中，液体燃料可以由液体源131添加到液体储箱104，其与液体混合物138一起被抽取到系统中。因此，系统300可以适用于固体、液体或气态形式的燃料。
液体源131提供流体储箱104中的液体混合物138的全部或部分。由液体源131提供的液体混合物138可以包括或可以等同于关于本文描述的其他实施例所描述的液体混合物102。液体源131可以包括液态水、液体燃料和/或将由系统300处理的其他液体的多个不同来源。在一些实施例中，液体混合物102包括来自在气化器中洗涤气流的污染物。在一些实施例中，液体源131提供仅液态水、仅液体燃料或该两者的某种组合。
一些示例性流体源包括酿酒设施、乙醇生产设施、填埋区、酒精生产设施、煤矿、炼油厂、钢铁厂、化工厂、油田、沼泽地、污物处理设施和/或液体燃料和/或液态水的其他来源。例如，酿酒、乙醇生产和酿造中的液流可能具有可以在系统300中处理的含水的不合格产品。乙醇例如仍在大型和小型设施中以数百种方式制作，其任何一个都可以用作液体源131。随着生物燃料的领域扩展，越来越多的给料可以用来制作乙醇。在使用原材料例如藻类、野葛和木头来生产乙醇的情况下，系统300可以销毁木质素、纤维和边缘流。
液体混合物138可以包括许多不同浓度的酒精，例如40度、100度和/或其他浓度。因此，系统300可以位于例如啤酒厂、生物精炼厂或乙醇厂中以 在该厂消耗副产物。系统300也可以处于独立的位置并通过输送或分配来接收副产物。除这些示例之外，也可以用不同方式接收和/或生产液体混合物138。
系统300可以基于来自燃料源136的燃料进行操作，系统300可以基于来自液体源131的燃料进行操作，和/或系统300可以同时和/或不同时基于来自燃料源136和液体源131的燃料进行操作。例如，在其中需要动力来钻井以开采和抽取甲烷的煤矿处，系统300可以一开始基于来自液体源131的煤油或乙醇运行。当从煤矿中收集到甲烷时，该甲烷可以用作燃料源136，并且可以代替煤油或乙醇直到所抽取的甲烷单独向系统300供应燃料。
一旦所抽取的甲烷已充分耗尽，系统300可以基于煤矿排出的甲烷操作，提供清洁动力并销毁温室气体。在钢厂，清洁动力可以由基于来自液体源131的煤油或乙醇运行的系统300供应。当鼓风炉气体变得可用时，系统300可以基于来自燃料源136的鼓风炉气体操作。在炼油厂或化工厂，含VOC的废气可以向系统300供应燃料，而不是在热氧化器中燃烧。不合格副产物例如石脑油可以用作补充燃料并产生清洁动力，而不是例如被收集并由卡车运输到处置地点。来自填埋区的低甲烷含量气体可以与来自填埋区附近的石油和气体操作的气体进行组合以生成清洁动力。除这些示例之外，系统300可以基于液体燃料和气态燃料以不同方式操作。
当液体混合物138包括液体燃料时，系统300可以基本上如图4的系统100那样操作。例如，蒸发室118可以蒸发液体混合物138，并且所产生的气体混合物可以与空气组合并且被连通到反应室101中。来自蒸发室118的蒸发燃料可以在没有来自燃料源136的燃料的情况下向系统300供能。在一些情况下，来自热交换器122的空气流包括来自燃料源136的燃料。因此，来自燃料源136的燃料和来自蒸发室118的蒸发燃料可以组合，并且都可以在反应室101中同时被氧化。
在一些实施方式中，液体混合物138不包括显著量的液体燃料，并且系统300完全或基本完全基于来自燃料源136的燃料进行操作。例如，液体混合物138可以包括液态水和/或在反应室101中处理时不释放显著量的热能的其他材料。在这些情况下，通过氧化来自燃料源136的燃料在反应室101中释放的热量可以销毁液体混合物138中的污染物、副产物和/或其他材料。例如，来自填埋区的液态水可能含有有毒材料和/或可以在反应室101中销毁的其他类型污染物。因此，液体源131可以是产生填埋流体的填埋井。填埋流 体可以包括提供给燃料源136的甲烷，并且填埋流体可以包括被冷凝并提供给流体储箱104的水。
在示例系统300中，如在图4的系统100中那样，使用来自热交换器122的热量在蒸发室118中蒸发液体混合物138。液体混合物138可以可替换地或另外以另一方式蒸发。例如，可以如在图5的系统200中那样通过将混合物喷注到热空气流中来蒸发液体混合物138；在一些实施方式中，液体混合物138可以在反应室101中蒸发。
在一些实施例中，可以经由燃料源136添加燃烧气体以调整系统300的性能或操作。例如，在低燃料含量混合物不含有足够用于可自持续销毁的燃料或者不能仅基于液体混合物138中的燃料含量来维持氧化过程的实施例中，燃烧气体可以通过燃料源136在空气源110处与空气一起添加，从而为自持续氧化过程提供充足燃料。可以通过燃料源136添加的燃烧气体包括例如但不限于氢气、甲烷、乙烷、乙烯、天然气、丙烷、丙烯、丙二烯、正丁烷、异丁烷、1-丁烯、丁二烯、异戊烷、正戊烷、乙炔、己烷和一氧化碳。
可以基于在液体混合物138中检测的燃料量调整由燃料源136添加的燃烧气体量。如果液体混合物138的燃料含量改变以使得混合物138中存在不期望的燃料浓度，则在燃料源136处添加的燃烧气体量可以相应地增加或减少。在一些实施例中，在燃料源136处添加的燃烧气体量基于由系统300接收的液体混合物138中的燃料含量的量。在一些实施例中，在燃料源136处添加的燃烧气体量基于液体混合物138中的燃料含量的量与反应室101内的温度的组合。在一些实施例中，在燃料源136处添加的燃烧气体量基于液体混合物138中的燃料含量的量与反应室101内的温度变化或温度变化率的组合。
可以在液体储箱104中、在加压装置108和蒸发室118之间或者在蒸发室118和反应室101之间检测液体混合物138中的燃料含量的量。在一些实例中，由于液体混合物138中的一些燃料可以在液体混合物138被蒸发器118加热时氧化，因此一些实施例规定在蒸发室118和反应室101之间检测液体混合物138的燃料含量。在这些实施例中，在燃料源136处添加的燃烧气体量基于在蒸发室118和反应室101之间检测的液体混合物138的燃料含量。
在一些实例中，液体混合物138可以含有不被认为是燃料的额外成分。例如，在一些实施例中，液体混合物138可以包括污染物和水。污染水可以 是一些其他过程的副产物，并且污染水被传导到系统300以氧化该污染水或废水。例如，污染水可以来自作为气化器的一部分的洗涤器，如上所述，其可以是液体源131。在气化过程中，在分配气体燃料以便使用之前，水被用来净化所产生的污染物气体燃料。然后例如通过在液体储箱104中沉积污染水，该污染水被传导到系统300。然后以类似于上面关于液体混合物138描述的方式将污染水抽取到系统300，并且当污染物在反应室101中被氧化时水被蒸发。以此方式，系统300可以作为处理和净化污染水、有毒水或废水的装置进行操作。系统300可以作为在净化污染水的同时产生如有的话则最少量的有害气体副产物的污染控制装置进行操作。
在液体混合物138包括非常低的燃料含量、低燃料含量和污染水的组合或者仅污染水的实施例中，补充气体燃料可以由燃料源136导引到系统300中，如在上面所解释。在一些实施例中，气体燃料是维持反应室101中的氧化过程的基本唯一燃料。一些实施例规定该气体燃料是由气化器产生的气体燃料的至少一部分，并且来自气化器洗涤器的水由液体源131导引到系统300。
在一些实例中，向系统300提供的污染水可以在反应室101中的氧化之前用液体燃料补充。例如，如果来自气化器的污染水被沉淀到液体储箱104中，则液体燃料可以被添加到液体储箱104以增加液体混合物138的燃料含量。可以附加于或替代由燃料源136导引气体燃料而执行该过程。
图5的系统200可以适用于接收来自液体源131的液体和/或来自燃料源136的燃料。在任一种系统100、200、300中，液体混合物可以在反应室中和/或在将该混合物连通到反应室中之前被转化成气体。在液体混合物在反应室之前被转化成气体的情况下，气态混合物可以在反应室中和/或在将空气、燃料和其他气体连通到反应室中之前与空气、燃料和/或其他气体组合。穿过系统100、200、300（例如在各种系统组件之间）的流体连通可以由传感器和/或监控装置测量，可以由控制阀和其他类型的流动控制装置控制和/或调节，和/或可以由导管、管道、端口、腔室和/或其他类型的结构容纳。因此，系统100、200、300可以包括没有在图中具体示出的额外装置、结构和子系统。
图7A和图7B是示出示例性氧化反应系统中的流体流动的示意图。在图7A和图7B中，示意性示出水流、燃料流和空气流。尽管流体在图中分离示出，但在各种实施方式中流体可以在一个或更多适当点处混合。例如，图7A中示出的液态水和液体燃料可以是图1A-2B的液体混合物102的成分。作为 另一示例，图7B中示出的燃料和空气可以是图6的压缩器114中接收的空气/燃料混合物。
流体在图7A和图7B中显示为进入和离开反应室410。每一流体可以与示出的其他流体独立地连通到反应室410中，和/或示出的一种或更多种流体可以与另一流体一起连通到反应室410中。例如，在一些实施方式中，空气和燃料/水混合物被独立地导引到反应室410中（即，空气通过第一入口，而燃料/水混合物通过第二入口），而在一些实施方式中，空气和燃料/水混合物在燃料进入反应室410之前混合以形成空气/燃料/水混合物（即，空气/燃料/水混合物可以通过共用入口被导引到加压反应室中）。
在一些实施例中，由系统将空气与燃料和水的混合物进行混合。在一些实施例中，燃料和水的混合物是蒸发气体。在一些实施例中，空气/燃料混合物与水混合物进行混合。在一些实施例中，空气/燃料混合物与蒸汽混合。在一些实施例中，空气/燃料混合物与燃料和水的混合物进行混合。在一些实施例中，燃料和水的混合物是蒸发气体。
图7A和图7B中的点划线是用来提高反应室410外部的流体温度的来自反应室的热能的示意性表示。在一些实施方式中，流体在反应室410外部被加热而无需来自反应室410的热量，并且在图中表示的一个或更多个热传递可以省略。在一些实施方式中，额外的和/或不同的流体由来自反应室410的热量在反应室410外部加热，并且利用额外的和/或不同的热传递。
图7A和图7B都示出在反应室410中用空气氧化燃料。可以在不将燃料的温度升高到阈值温度以上（例如通过在反应室中维持燃料的最大温度低于该阈值温度）的情况下用空气氧化燃料。阈值温度可以是涡轮机的推荐或最大操作温度、涡轮机的推荐或最大入口温度、导致氮氧化物形成的温度、基于穿过反应室410的燃料流速所选择的温度和/或其他因素等。在一些实施方式中，在低于导致氮氧化物形成的温度下，燃料在反应室410中被氧化。反应室410可以是本文描述的其他实施例中示出的反应室101。反应室410可以是不同类型的氧化反应室。反应室410可以是加压或不加压的。
在示出的示例中，从反应室410中氧化燃料释放的热能被转化成机械能。因此，燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和/或将热能转换成机械能的另一系统可以与反应室410一起使用。机械能可以例如由发电机转化成电能。在一些实例中，以额外的或不同的方式使用从反应室410中氧化燃料释放的能量。
在图7A示出的示例性氧化反应系统400中，液态水401和液体燃料402被转化成气态水403和气态燃料404。该燃料可以包括酒精、煤油、汽油和/或其他类型燃料。气态燃料404可以包括燃料蒸气和/或另一类型气态的燃料。气态水403可以包括水蒸气和/或另一类型气态的水。气态水403、气态燃料404和空气405被连通到反应室410中。当燃料404、空气405和水403在反应室410中的时候，用反应室410中的空气405氧化燃料404。
污染物、有毒材料和/或与水403混合的其他物质可以在反应室410中被销毁、氧化和/或以其他方式改变。可能包括有毒材料的污染物包括可能对环境和/或活有机体有害的物质。燃料404和空气405的氧化反应生成氧化产物气体406，该氧化产物气体可以与水403一起被传送出反应室410。水403和氧化产物406的热能被转化成机械能。
在图7B示出的示例性氧化反应系统450中，液态水431被连通到反应室410中，和/或液态水431在反应室外部被转化成气态水436。在液态水431被连通到反应室410中的实施方式中，液态水431在反应室410中被转化成气态水434。
在液态水431在反应室410外部被转化成气态水436的实施方式中，气态水436被连通到反应室410中。燃料432和空气433被连通到反应室410中。当燃料432、空气433与水434和/或水436在反应室410中的时候，用反应室410中的空气433氧化燃料432。燃料432和空气433的氧化反应生成氧化产物气体435，该氧化产物气体435与水434和/或水436一起被传送出反应室410。水434和/或水436与氧化产物435的热能被转化成机械能。
在示例系统400和450中，从液体到气体的转化可以包括蒸发过程，该蒸发过程利用来自在反应室410中氧化燃料的热量。从液体到气体的转化可以包括蒸发、汽化、沸腾和/或其他类型过程。在示例系统400、450的任一个中，污染物、有毒材料和/或与水403、434和/或436混合的其他物质可以在反应室410中被销毁、氧化和/或以其他方式改变。水403、434和/或436的质量可以增加示例系统400、450的机械能输出。
图7C和图7D是以与图7A和图7B所示的那些类似的方式示出过程的示意图。图7C和图7D示出包括气化器（图7C）和不必需包括气化器（图7D）的示例性氧化反应系统中的流体流。在图7C和图7D中，示意性示出水流、燃料流和空气流。尽管流体在图中分离示出，但在各种实施方式中流体可以 在一个或更多适当点处混合。例如，在图7C中反应室中的气化器之间的气体燃料和空气分离示出，并且两者可以是气体混合物的成分。
在图7C中，气化器接收固体燃料并将固体燃料转化成气体燃料。液态水被提供以洗涤气体燃料，并且所洗涤的气体燃料离开气化器并可以被直接引导到反应室，或者可替换地可以被重新定向以便在系统外使用。用于洗涤气体燃料的污染的液态水也被引导到反应室。尽管附图示出气体燃料被从系统重新定向，但这是可选步骤，并且在一些实施例中由气化器产生的全部气体燃料都被反应室利用。在一些实施例中，如图所示，由气化器产生的仅一部分气体燃料被反应室利用。
在反应室内，液态水被加热到气态水，并且在一些实施例中，先前已被加热的气态水被进一步加热以准备将热能转化成机械能。由反应室接收的污染的液态水被转化成气态水和在液态水中所含的污染物。污染物用供应给反应室的任何燃料氧化并产生氧化产物，该氧化产物然后与气态水一起用来将热能转化成机械能。
流体在图7C中显示为进入和离开反应室。这些流体可以与示出的其他流体独立地连通到反应室中，和/或示出的一种或更多种流体可以与另一流体一起连通到反应室中。例如，在一些实施方式中，空气和燃料/水混合物被独立地导引到反应室中（即，空气通过第一入口，而燃料/水混合物通过第二入口），而在一些实施方式中，空气和燃料/水混合物在燃料进入反应室之前混合以形成空气/燃料/水混合物（即，空气/燃料/水混合物可以通过共用入口被导引到加压反应室中）。
在一些实施例中，由系统将空气与燃料和水的混合物进行混合。在一些实施例中，燃料和水的混合物是蒸发气体。在一些实施例中，空气/燃料混合物与水混合物进行混合。在一些实施例中，空气/燃料混合物与蒸汽混合。在一些实施例中，空气/燃料混合物与燃料和水的混合物进行混合。在一些实施例中，燃料和水的混合物是蒸发气体。
图7C和图7D中的点划线是用来提高反应室外部的流体温度的来自反应室的热能的示意性表示。这可以例如由图4中的热交换器122或蒸发室118实现。在一些实施方式中，流体在反应室外部被加热而无需来自反应室的热量，并且在图中表示的一个或更多个热传递可以省略。在一些实施方式中，额外的和/或不同的流体由来自反应室的热量在反应室外部加热，并且利用额 外的和/或不同的热传递。从液体到气体的转化可以包括蒸发过程，该蒸发过程利用来自在反应室中氧化燃料的热量。从液体到气体的转化可以包括蒸发、汽化、沸腾和/或其他类型过程。
图7C和图7D示出在反应室中用空气氧化燃料。在不提升燃料的温度高于阈值温度的情况下，例如通过在反应室中维持燃料的最大温度低于阈值温度，可以用空气氧化燃料。该阈值温度可以是涡轮机的推荐或最大操作温度、涡轮机的推荐或最大入口温度、导致氮氧化物形成的温度、基于穿过反应室410的燃料流速所选择的温度和/或其他因素等。在一些实施方式中，在低于导致氮氧化物形成的温度下，燃料在反应室中被氧化。图7C和图7D的反应室以及系统的其他部分可以是本文描述的其他实施例中示出的反应室。该反应室可以是不同类型的氧化反应室。该反应室可以是加压或不加压的。
在示出的示例过程中，在反应室中氧化燃料所释放的热能被转化成机械能。燃气涡轮机、蒸汽涡轮机和/或将热能转化成机械能的另一系统可以与反应室一起使用。机械能可以例如由发电机转化成电能。在一些实例中，以另外或不同的方式使用在反应室中氧化燃料所释放的能量。
在图7C和图7D的示例中，燃料被提供给反应室。该燃料可以是与来自气化器的气体燃料进行组合的气体燃料。该燃料也可以是单独或与液态水一起供应给反应室的液体燃料。在一些实施例中，除来自气化器的气体燃料和/或污染的液态水之外，还向系统补充的气体燃料或液体燃料的量基于由以下物质向反应室供应的燃料含量的判定：（i）来自气化器的气体燃料，（ii）液态水中的污染物，或（iii）来自气化器的气体燃料和液态水中的污染物的组合。
在图7C所示的氧化反应系统中，液态水、液体燃料和污染液体被转化成气态水、气态燃料和污染物。燃料可以包括酒精、煤油、汽油和/或其他类型的燃料。气态燃料可以包括燃料蒸气和/或处于另一类型气态的燃料。气态水可以包括水蒸气和/或处于另一类型气态的水。空气、气态水、气态燃料和污染物被连通到反应室内或者在反应室内被转化成气态。当燃料和污染物在反应室中时，用空气将它们氧化。
如所解释，与水混合的污染物、有毒材料和/或其他物质可以在反应室中被销毁、氧化和/或以其他方式修改。可以包括有毒材料的污染物包括可能对环境和/或活的有机体有害的物质。燃料、空气和污染物的氧化反应生成氧化产物气体，其与水一起被连通到反应室外。水和氧化产物的热能被转化成机 械能。
在图7C和图7D中示出的示例性氧化反应系统中，液态水被连通到反应室中，并且/或者液态水在反应室外被转化成气态水。在液态水被连通到反应室中的实施方式中，液态水在反应室中被转化成气态水。在一些实施例中，液态水仅在反应室内被转化成气态水，并且在一些实施例中，液态水仅在反应室外被转化成气态水。在一些实施例中，一些液态水在反应室外被转化成气态水，并且一些液态水在反应室内被转化成气态水。在液态水在反应室外被转化成气态水的实施方式中，气态水被引导到反应室内以便进一步加热气态水。
图7D示出与图7C中所示的过程相似的过程。然而，在图7D的过程中，污染液体并不必需源于气化器的洗涤器。在图7D中示出反应室的氧化过程可以被用来对向系统供应的先前污染水进行处理并使其基本无害。在一些实施例中，仅为了进行处理的目的而向系统供应污染水，并且反应室能够氧化水中的污染物，并提供产生的氧化产物和气态水用于将热能转化成机械能。
尽管图7A-7D将液体和生成的气体描述为液态水和气态水，但液体可以是不同于水的其他液体，并且液态水可以包括不同于水的其他液体。
将水或蒸汽喷注到燃气涡轮机中的燃烧气体中能够增加涡轮机的输出。然而，为了补偿由这种喷注导致的温度降低，必需增加燃烧的燃料量，这导致更高的温度并导致增加的有害NOx气体形成。在一些实施例中，如上所述，本文描述的逐渐氧化系统可以通过提供水进入该系统而在不增加NOx形成的情况下提供燃料的氧化，且同时增加系统的输出。
如结合本文描述的实施例所解释，当空气/燃料混合物在反应室中沿流径流动时，系统的燃料被氧化。优选通过销毁基本全部燃料的无焰逐渐氧化过程氧化该燃料。优选在充分低以减少或防止有害化合物例如氮氧化物的形成和/或排放的温度下并且在充分高以氧化被导引到反应室中的燃料和其他污染物的温度下氧化该燃料。
空气/燃料混合物流过反应室并从反应室的内部吸热，该内部可以包括可选地容纳在反应室内的填充材料。结果，空气/燃料混合物的温度随着混合物流过反应室而逐渐升高。当空气/燃料混合物的温度达到或超过燃料的自燃温度时，燃料经历放热氧化反应。因此，可以不依赖于氧化催化剂材料或点火源而在反应室中启动该氧化反应。在一些情况下，可以在反应室中提供催化 剂材料以有效地降低燃料的自燃温度，但本文描述的系统的优点包括在没有催化剂的情况下进行反应室的操作以实现空气/燃料混合物的逐渐氧化。
当燃料氧化时，放热反应将热量施加到反应室和可能的填充材料，并且热能被连通到反应室中流径的另一区域。通过反应室传递的热能可以被施加到进入的燃料以帮助启动进入的燃料的氧化。反应室可以被设计以使得在一系列操作条件下（例如在最大流速和燃料浓度下），提供充足的停留时间和燃料温度以允许空气/燃料混合物中的一些或全部燃料基本完全氧化。在一些情况下，反应室中的空气/燃料混合物的温度可以被控制，从而维持空气/燃料混合物的最大温度基本处于或低于涡轮机的期望入口温度。
如上所述，一些实施例因为许多原因中的一个或更多个（例如降低燃烧的可能性、控制温度、提高效率和/或增加输出等）而考虑向系统添加蒸汽或水。就引入蒸汽或水而言，这些系统与燃烧系统之间的不同是显著的。例如，在燃气涡轮机燃烧室上游引入蒸汽或水可能妨碍燃烧的完全性，并且可能导致释放未燃烧的烃。在燃气涡轮机燃烧室下游引入蒸汽将对气体具有冷冻效应，并因此将需要燃烧室提供额外燃料，提高了最大火焰温度并增加了有害NOx排放物的形成。在燃烧室下游引入水将需要更多燃料来燃烧，由此通过形成甚至更多的有害NOx而进一步恶化该状况。
本文描述的逐渐燃烧系统的实施例避免了这样的问题，因为它们允许充足的时间来使得能够从上述潜在的混乱状况恢复。这些实施例也具有若干其他优点。反应室比燃烧室大得多。其可以用陶瓷填充材料充塞。水中的任何溶解固体将在填充材料上析出，因此降低或消除在使用前净化水的需求。在若干应用例如具有填埋区和水处理厂蒸煮器的应用中，许多污染水就地收集。该水否则将必须移除到用于处理这样的污染水的设施。通过将该水导引到系统中并且甚至导引到反应室中，不仅污染物被销毁，而且在此类污染物中的任何燃料价值通过污染物的氧化来回收。
图8示出用于具有蒸汽喷注的燃气涡轮机系统500的过程流程图的实施例。将空气从空气源110抽取到系统中，并且经由燃料源136引入燃料气体。空气和燃料在大气压下被混合在一起，并且混合物在压缩器114中被压缩。压缩的混合物在热交换器122中被加热，从这里其通过管道128被输送到逐渐氧化反应室101。
反应室101被维持在足以氧化混合物中的燃料的温度，其中氧化的热量 提升产物气体的温度。反应室101中的温度被维持为充分高以氧化混合物中的全部燃料，但该温度低于可能导致有害NOx气体形成的温度。
来自反应室101的排气通过排气管132和导管130取得并去往涡轮机115，在此处使排气膨胀以便输送有用动力从而驱动压缩器114并用于其他用途例如通过发电机发电。气体的密度与其温度逆相关。当环境温度升高时，进入的空气和燃料/空气混合物的密度降低，并且流过压缩器的气体的质量因此也下降。该较低质量流量导致来自燃气涡轮机的减小的功率输出，因此降低转化成电力的能量。
在一些地区，因为在夏季高峰期间需求最高并且此时常规发电站输出下降，所以此时电力最昂贵。本文描述的燃气涡轮机系统可以增加燃气涡轮机发电站的功率输出，由此在最需要时精确地产生电力。可以实现这一目标的一种方式是将水或蒸汽导引到系统中。
水可从水源150或从具有液体源131的液体储箱104获得。水通过导管106被输送到泵或加压装置108，在此处水被加压。然后水被连通到蒸发室118，并且得到的蒸汽通过导管120被连通到导管128，然后其被导引到反应室101。用于蒸发水的热量从涡轮机排气抽取，该排气穿过导管126、热交换器122、导管124到蒸发室118。由导管128导引到反应室101的蒸汽/空气/燃料混合物具有比仅空气/燃料混合物更高的质量流量。由于较高的质量流量，现在存在穿过反应室101并穿过涡轮机115的增加的质量流量，导致增加的电力生产。
在一些实施例中，喷注到系统中的水或蒸汽包括按体积在约50%和约80%之间的燃料混合物，该燃料混合物包括燃料和空气。在一些实施例中，喷注到系统中的水或蒸汽包括在约40%和约85%之间的燃料混合物，并且在进一步的实施例中，水或蒸汽包括在约20%和约90%之间的燃料混合物。
其他反应可以有利于实现增加的输出。进入导管128的蒸汽处于比燃料/空气混合物低的温度，并且进入反应室101的气体的温度因此低于没有蒸汽导引的情况。因此有利的是基于导引到导管128中的蒸汽量提高或以其他方式调整进入压缩器114的气体的燃料/空气比。
在一些实施例中，燃料/空气比取决于导引到导管128中的蒸汽量。例如，在操作期间，系统可以在没有蒸汽被导引到导管128中的第一状态中操作。在该第一状态中，系统可以在第一燃料/空气比下操作。在第二状态中，蒸汽 可以被导引到导管128中，并且期望的燃料/空气比可以基于导引到导管128中的蒸汽量来确定并实现，以便在反应室101内维持逐渐氧化过程。氧化过程的维持可以在不提高反应室内部的最大温度的情况下实现，同时仍在反应室内部实现燃料的完全氧化。
增加的质量流和燃料流将增加输送到涡轮机115的能量，并因此将增加涡轮机系统的输出。由压缩器114消耗的能量保持与之前大致相同，并且增加的涡轮机输出被发电机用来增加其电力输出。
图9示出实现与图8所示实施例基本相同的结果的修改流动模式的实施例。在图9的燃气涡轮机系统600中，蒸汽由导管120直接取得并且由导管155带入反应室101中。蒸汽由可以是例如喷嘴的入口160从导管155导引到反应室101中。尽管导引点与之前相比在下游更远处（即放置在反应室101内而不是放入导管128中），但结果基本相同。额外燃料流可以通过提高燃料/空气比来提供，由此在反应室101内释放额外的热量，并由此将温度提升到与之前相同的阈值，导致额外的能量被转化成电力。
来自反应室101的排气通过排气管132和导管130被排出到涡轮机115，在此处使排气膨胀以输送动力从而驱动压缩器114。排气在涡轮机115中膨胀之后，其被连通到热交换器122以便加热来自压缩器114的燃料/空气混合物。然后经由导管124将排气传导到蒸发室118以便加热和/或蒸发来自加压装置108的水。在穿过蒸发装置118之后，排气可以通过出口112从系统中排出。
图10示出提供将被直接导引到反应室101中的水的燃气涡轮机系统700的进一步实施例。关于该图示的流动模式，水的蒸发发生在反应室101中。这需要比之前更高的燃料/空气比以适应在反应室101内加热水并将其蒸发成蒸汽所需要的能量。
从液体源131经由导管106向加压装置108提供水。然后通过导管120将水从加压装置108直接连通到反应室101。通过可以是例如喷嘴的入口165将水从导管120导引到反应室中。来自反应室101的排气通过排气管132和导管130被排出到涡轮机115，在此处使排气膨胀以输送动力从而驱动压缩器114。排气在涡轮机115中膨胀之后，其被连通到热交换器122以便加热来自压缩器114的燃料/空气混合物。然后排气可以通过出口170从系统中排出。
可以通过利用废热生成蒸汽来改善系统中的效率，并且通过生成蒸汽所回收的热量越多，系统可以越高效。对效率的影响可以计算如下：如果在燃 料中可获得100kWh的热量，则大约30kWh的热量被转化成电力。在没有蒸汽喷注的情况下，剩余70kWh的热量被排放，导致例如约30%的效率。然而，如果蒸汽将被喷注，则以其他方式排放的约35kWh的热量可以被系统传递给水以生成蒸汽。现在该蒸汽必须与其他气体混合并且进一步被加热以将气体的温度提升到期望阈值。该加热需要供应额外燃料并将其氧化。当例如需要10kWh的额外燃料来将蒸汽加热到适当温度并且如果额外3kWh被生成时，效率保持与上面相同，即约30%效率。当多于额外3kWh被生成时，效率改善到大于约30%；并且如果小于额外3kWh被生成，则效率下降到低于约30%。
额外考虑包括将水泵送到期望压力所需要的电能以及由于增加的流动导致的系统中的损耗。尽管所描述系统的效率可以被改进得高于不包括水或蒸汽的系统，但本文描述的实施例的优点之一是包括由水或蒸汽补充的逐渐氧化过程可以实现更大的功率输出，特别是当环境条件将以其他方式降低功率输出时。
尽管已经详细描述了本发明的优选实施例，但某些变化和修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，包括不提供本文描述的全部特征和益处的实施例。本领域技术人员将理解本发明超出具体公开的实施例扩展到其他替换或附加实施例和/或用途及其明显修改和等价物。另外，尽管已经以变化的细节显示并描述了多个变体，但基于本公开内容对本领域技术人员来说本发明的范围内的其他修改将是显而易见的。
也预期实施例的具体特征和方面的组合或子组合可以实现并仍落入本发明的范围内。因此，应理解所公开的实施例的各种特征和方面可以相互组合或替代以便形成本发明的变化模式。因此，希望在此公开的本发明的范围不应由在上面描述的特别公开的实施例限制。

Claims (60)

1.一种逐渐氧化系统，其包括：
固体燃料气化器，其从固体燃料提取气体燃料；
洗涤器，其使用净化液体从所述气体燃料中移除污染物；以及
无焰燃烧室，其(i)从所述洗涤器接收所述净化液体和污染物，(ii)维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度，以及(iii)提供停留时间，以使来自所述洗涤器的基本全部污染物在所述无焰燃烧室内被氧化；
耦合到所述洗涤器和所述燃烧室的导引器，所述导引器被配置为从所述洗涤器接收所述污染物并将所述污染物导引到所述无焰燃烧室中；以及
耦合到所述洗涤器和所述燃烧室的压缩器，所述压缩器被配置为将所述洗涤器所净化的燃料导引到所述无焰燃烧室中。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述无焰燃烧室被配置为在没有催化剂的情况下维持所述逐渐氧化过程。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述气体燃料由所述洗涤器使用水来净化。
4.根据权利要求3所述的系统，其中从所述洗涤器接收的所述污染物在所述水里面。
5.根据权利要求4所述的系统，其中所述导引器包括泵，所述泵在将所述水导引到所述无焰燃烧室中之前对所述水加压。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述无焰燃烧室被配置为维持足以氧化所述气体燃料的所述内部温度持续0.01秒和10秒之间。
7.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括与所述无焰燃烧室流体连通的涡轮机，所述涡轮机被配置为从所述无焰燃烧室接收加热加压的气体并使所述气体膨胀。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述无焰燃烧室维持低于导致氮氧化物形成的温度的最大温度。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述无焰燃烧室从所述洗涤器接收气体燃料并在所述逐渐氧化过程期间氧化所述气体燃料。
10.根据权利要求9所述的系统，其中来自所述洗涤器的基本全部气体燃料由所述无焰燃烧室接收并氧化。
11.根据权利要求9所述的系统，其中来自所述洗涤器的所述气体燃料的第一部分由所述无焰燃烧室接收并氧化，并且来自所述洗涤器的所述气体燃料的第二部分被分配离开所述系统。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述无焰燃烧室经由第一入口从所述洗涤器接收所述气体燃料，并且从第二入口接收补充气体燃料。
13.一种逐渐氧化系统，其包括：
第一入口，其被配置为将污染液体连通到所述系统；
第二入口，其被配置为将燃料连通到所述系统；
无焰燃烧室，其具有(i)第一入口，其耦合到导引器并被配置为将污染液体从洗涤器连通到无焰燃烧室以及(ii)第二入口，其耦合到压缩器并被配置为将燃料从洗涤器连通到所述无焰燃烧室，其中所述无焰燃烧室接收所述污染液体和燃料，并且维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度，同时维持所述燃烧室中的最大温度低于导致氮氧化物形成的温度，以使所述液体中的所述燃料和污染物氧化；以及
出口，其被布置从所述燃烧室传导输出气体，所述输出气体包括在所述燃烧室中由所述逐渐氧化过程生成的氧化产物气体。
14.根据权利要求13所述的系统，其中所述无焰燃烧室被配置为在没有催化剂的情况下维持所述逐渐氧化过程。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述污染液体由用水净化气体燃料的洗涤器排放。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述污染液体包括来自所述洗涤器的所述水。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述燃料包括来自所述洗涤器的气体燃料，并且所述无焰燃烧室在所述逐渐氧化过程期间氧化所述气体燃料。
18.根据权利要求13所述的系统，其中所述导引器包括泵，所述泵在所述液体被所述无焰燃烧室接收之前对所述污染液体加压。
19.根据权利要求13所述的系统，其中所述无焰燃烧室被配置为维持足以氧化所述气体燃料的内部温度持续0.01秒和10秒之间。
20.根据权利要求13所述的系统，其进一步包括与所述无焰燃烧室流体连通的涡轮机，所述涡轮机被配置为接收所述输出气体并使所述输出气体膨胀。
21.一种氧化固体燃料的方法，其包括：
用固体燃料气化器从固体燃料中提取气体燃料；
在洗涤器中用净化液体洗涤所述气体燃料以从所述气体燃料中移除污染物；
经由导引器从所述洗涤器将所述净化液体和污染物导引到无焰燃烧室；
经由压缩器从所述洗涤器将所述洗涤器所净化的燃料导引到所述无焰燃烧室；以及
通过以下步骤在所述燃烧室中氧化所述污染物：(i)在所述燃烧室中维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度，以及(ii)提供在所述燃烧室内的停留时间，以使来自所述洗涤器的基本全部所述污染物在所述燃烧室内被氧化。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述无焰燃烧室在没有催化剂的情况下维持所述逐渐氧化过程。
23.根据权利要求21所述的方法，其中所述气体燃料由所述洗涤器用水净化。
24.根据权利要求23所述的方法，其中由所述燃烧室从所述洗涤器接收的所述污染物在所述水里。
25.根据权利要求23所述的方法，其进一步包括在所述无焰燃烧室中的氧化之前用所述导引器的泵对所述水和污染物加压。
26.根据权利要求21所述的方法，其中所述停留时间在0.01秒和10秒之间。
27.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括从所述无焰燃烧室传导加热的压缩气体到涡轮机并在所述涡轮机中使所述气体膨胀。
28.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括从所述洗涤器传导气体燃料到所述无焰燃烧室并且在所述逐渐氧化过程期间氧化所述气体燃料。
29.根据权利要求28所述的方法，其中来自所述洗涤器的基本全部所述气体燃料被传导到所述无焰燃烧室并由所述无焰燃烧室氧化。
30.根据权利要求28所述的方法，其中来自所述洗涤器的所述气体燃料的第一部分被传导到所述无焰燃烧室并由所述无焰燃烧室氧化，并且来自所述洗涤器的所述气体燃料的第二部分被分配离开所述燃烧室。
31.根据权利要求21所述的方法，其中所述气体燃料经由第一入口被传导到所述无焰燃烧室，并且所述燃烧室从第二入口接收补充气体燃料。
32.根据权利要求21所述的方法，其中所述燃烧室维持最大内部温度低于导致氮氧化物形成的温度。
33.一种氧化液体中的污染物的方法，其包括：
经由耦合到导引器的第一入口从洗涤器传导污染液体到无焰燃烧室；
经由耦合到压缩器的第二入口传导所述洗涤器所净化的燃料到所述无焰燃烧室；以及
通过以下步骤在所述无焰燃烧室中用所述燃料氧化所述污染液体中的污染物：(i)在所述燃烧室中维持足以提供逐渐氧化过程的内部温度，(ii)在所述燃烧室中维持最大温度低于导致氮氧化物形成的温度，以及(iii)提供在所述燃烧室内的停留时间，以使来自所述洗涤器的基本全部所述污染物在所述燃烧室内被氧化。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述无焰燃烧室在没有催化剂的情况下维持所述逐渐氧化过程。
35.根据权利要求33所述的方法，其中所述污染液体从用水净化气体燃料的洗涤器被传导到所述燃烧室。
36.根据权利要求35所述的方法，其中所述污染液体包括来自所述洗涤器的所述水。
37.根据权利要求33所述的方法，其中所述燃料包括来自洗涤器的气体燃料，并且所述无焰燃烧室在所述逐渐氧化过程期间氧化所述气体燃料。
38.根据权利要求33所述的方法，其进一步包括在将所述液体传导到所述无焰燃烧室之前压缩所述污染液体。
39.根据权利要求33所述的方法，其中所述停留时间在0.01秒和10秒之间。
40.根据权利要求33所述的方法，其进一步包括从所述无焰燃烧室传导加热的压缩气体到涡轮机并在所述涡轮机中使所述气体膨胀。
41.一种固体燃料气化器逐渐氧化系统，其包括：
固体燃料气化器，其从固体燃料中提取气体燃料；
洗涤器，其净化所述气体燃料；
无焰燃烧室，其被配置为经由第一入口接收所净化的气体燃料并维持所述气体燃料的逐渐氧化过程，所述无焰燃烧室包括第二入口；
耦合到所述第一入口的压缩器，其被配置为从所述洗涤器接收所述净化的气体燃料并将所述净化的气体燃料导引到所述无焰燃烧室中；以及
耦合到所述第二入口的导引器，其被配置为从所述洗涤器接收污染物并将所述污染物导引到所述无焰燃烧室中；
其中所述无焰燃烧室被配置为维持足以氧化所述污染物的内部温度。
42.根据权利要求41所述的系统，其中所述无焰燃烧室被配置为在没有催化剂的情况下维持所述逐渐氧化过程。
43.根据权利要求41所述的系统，其中所述气体燃料由所述洗涤器用水净化。
44.根据权利要求43所述的系统，其中从所述洗涤器接收的所述污染物在所述水里面。
45.根据权利要求44所述的系统，其中所述导引器包括泵，所述泵在将所述水导引到所述无焰燃烧室中之前对所述水加压。
46.根据权利要求41所述的系统，其中所述无焰燃烧室被配置为维持足以氧化所述气体燃料的所述内部温度持续0.1秒和1秒之间。
47.根据权利要求41所述的系统，其进一步包括与所述无焰燃烧室流体连通的涡轮机，所述涡轮机被配置为从所述无焰燃烧室接收加热的压缩气体并使所述气体膨胀。
48.一种氧化固体燃料的方法，其包括：
用固体燃料气化器从固体燃料中提取气体燃料；
用洗涤器洗涤所述气体燃料以从所述气体燃料中移除污染物；
经由第一入口从所述洗涤器传导所述气体燃料到无焰燃烧室；
用所述无焰燃烧室逐渐氧化所述气体燃料，所述无焰燃烧室被配置为经由第一入口接收所净化的气体燃料并维持所述气体燃料的逐渐氧化过程；
从所述洗涤器导引所述污染物到所述无焰燃烧室中；以及
在所述无焰燃烧室内维持足以氧化所述污染物的内部温度。
49.根据权利要求48所述的方法，其进一步包括在没有催化剂的情况下在所述无焰燃烧室内维持所述逐渐氧化过程。
50.根据权利要求48所述的方法，其进一步包括在用所述无焰燃烧室逐渐氧化所述气体燃料之前压缩所述气体燃料。
51.根据权利要求48所述的方法，其进一步包括在将液体引入所述无焰燃烧室中之前压缩含有所述污染物的所述液体。
52.根据权利要求48所述的方法，其进一步包括维持足以氧化所述气体燃料的所述无焰燃烧室的所述内部温度持续0.1秒和1秒之间。
53.根据权利要求48所述的方法，其进一步包括通过与所述无焰燃烧室流体连通的涡轮机使来自所述无焰燃烧室的压缩的加热气体膨胀。
54.一种固体燃料气化器逐渐氧化系统，其包括：
固体燃料气化器，其从固体燃料中提取气体燃料；
洗涤器，其净化所述气体燃料；
无焰燃烧室，其被配置为经由入口接收所净化的气体燃料并维持所述气体燃料的逐渐氧化过程；
导引器，其被配置为从所述洗涤器接收污染物并将所述污染物导引到所述无焰燃烧室中；以及
压缩器，其被配置为从所述气化器接收气体燃料并将所述气体燃料导引到所述无焰燃烧室中；
其中所述无焰燃烧室被配置为维持足以氧化所述污染物的内部温度。
55.根据权利要求54所述的系统，其中所述无焰燃烧室在没有催化剂的情况下维持所述内部温度。
56.根据权利要求54所述的系统，其中所述气体燃料由所述洗涤器用水净化。
57.根据权利要求56所述的系统，其中由所述导引器接收的所述污染物在所述水里面。
58.根据权利要求56所述的系统，其中所述导引器包括泵，所述泵在将所述水导引到所述无焰燃烧室中之前对所述水加压。
59.根据权利要求54所述的系统，其中所述无焰燃烧室被配置为维持足以氧化所述气体燃料的所述内部温度持续0.1秒和1秒之间。
60.根据权利要求54所述的系统，其进一步包括与所述无焰燃烧室流体连通的涡轮机，所述涡轮机被配置为从所述无焰燃烧室接收加热的压缩气体并使所述气体膨胀。
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