CN104781531B - 循环活塞发动机动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明所公开的是一种循环活塞发动机动力系统，其中，压燃式或火花点燃式往复活塞发动机通过半封闭式循环以生产可销售加压CO2产物的方式制成非排放式的。所述循环活塞发动机动力系统可包括，除其他元件外，用于产生动力和废气的活塞发动机；水冷却和分离单元，其接收废气并冷却并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给；混合压力容器，其从所述水冷却和分离单元接收所述CO2气体供给的至少一部分，并将所述CO2气体供给与氧混合以创建要提供到所述活塞发动机的工作流体；以及用于提供氧到所述混合压力容器的氧发生器。

Description

循环活塞发动机动力系统
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年8月30日提交的题为循环活塞发动机动力系统的美国临时专利申请序列号61/694,858的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明整体涉及一种循环活塞发动机动力系统，并且更具体地涉及具有一体式氧发生、SC CO2(超临界二氧化碳)热回收和二氧化碳捕获及净化子系统的半封闭式循环活塞发动机动力系统。
背景技术
常规的动力系统，无论是内部燃烧或外部燃烧，用空气燃烧燃料并且一般将燃烧产物(废气/烟道气)排放到空气(或经由水下接口排放到空气)。这对于天然气、汽油、柴油活塞发动机是事实，并且对于燃气涡轮机、喷气发动机或者甚至基于蒸汽锅炉的发电厂也是事实。虽然易于执行，未处理的烟道气到空气的排放由于环境原因是不期望的。诸如SO2(二氧化硫)、NOx(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、HC(未燃碳氢化合物)以及最近的CO2(二氧化碳)的气体被定义为污染物并被管制。在特殊用途的应用中，特别是对于海底应用，将系统排气压力联系到环境压力(升高的背压)的需求可以显著降低发动机循环的效率。在其他特殊用途的应用中，特别是在更高海拔处，将系统压力联系到环境压力(降低的入口压力)的需求可以显著降低功率系数，并且还可影响效率。
其结果是，存在成为非排放和/或具有较少的来自局部环境压力的不利影响的需求，并且在各种封闭式或半封闭式动力系统上的现有工作已经出现。从历史上看(在二十世纪的第一部分((in the first part of the 1900's))，这项工作主要涉及特殊用途的应用。最近，它主要是关于提供更高的效率和/或有效地控制排放或甚至捕获系统排放的能力，所述排放特别是CO2。
开发封闭式和半封闭式动力系统的最强早期动机已被联系到在海底产生动力。在2,884,912号美国专利中公开了一种使用液氧操作活塞发动机，同时使用液体汽化热冷凝产物的简单方法。由于这是一种海底应用，没有产物净化或产生氧的任何讨论。在3,134,228号美国专利中公开了另一种明显在海底的使用涡轮的半封闭式动力系统。又一次，液氧(LOX)被带上作为氧化剂。冷凝水被泵入并用作燃烧稀释剂以控制温度，以同样的方式，水、氧和碳氢化合物被结合在“蒸汽鱼”(“steamfish”)鱼雷中，诸如US Mk 16(在二战后期引入)。在3,559,402号美国专利中公开了CO2的液化和储存。又一次，自带(onboard)液氧的汽化被用来提供制冷。重要地，没有作出在不同于正常大气的条件下操作发动机的任何努力。事实上，14psia(磅每平方英寸绝对压力)是用于CO2/O2流的再循环压力。
在3,736,745号美国专利中，“超临界”封闭式循环涡轮系统被引入。此专利存在一些技术问题，但它的目的是在深处以及在CO2和水产物两者都作为液体一起凝结的足够高的背压下操作，而无需使用低温氧。
在3,980,064号美国专利中，日产(Nissan)发动机提供了使用H2O2(双氧水)作为氧化剂的活塞发动机或旋转式活塞发动机专利的细节。这种系统包括废气再循环，但该专利主要是关于喷射器设计和燃烧多种燃料的能力。喷射器设计对于直接使用H2O2是至关重要的，因为分解可在循环中不期望的点上发生。
在4,434,613号美国专利中，通用电气公司(General Electric Company)引入了用于包括CO2的“化学”产物生产的半封闭式循环燃气涡轮机(布雷顿循环(Brayton Cycle))。该专利显然不是用于海底应用，并且系统与低温空气分离单元的集成是包括在内的。系统不在高背压以及再循环废气(O2、CO2和这里未提及的其他废气)下操作。这种气体混合物的关键是模仿空气的热力学性质，使得现有的入口压力为14psia分子量为29(空气)的燃气涡轮机的设计也可以使用。也作为GE的典型，所使用的是热回收蒸汽发生器(Heat Recovery Steam Generator HRSG)，而不是回热器。然而，3,134,228号美国专利没有公开与产物气体净化相关联的任何细节或方法。在4,674,463号美国专利中，考斯沃斯发动机公司(Cosworth Engine company)重新引入了用于海底应用的半封闭式循环活塞发动机。改变氧浓度到低于21％的值的能力被用来限制在直接海水凝结过程中的氧损失。
在唐恩布雷顿(Dunn Brayton)专利中，美国专利7,926,275、7,926,276、7,937,930、7,951,339和8,156,726引入了封闭式(金属燃料)和半封闭式(碳氢燃料)布雷顿(燃气涡轮机)循环。这些专利明确地不在大气压力下，而是在高的封闭式循环压力下(亚临界或超临界)。所讨论的是惰性气体工作流体、惰性气体工作流体与CO2混合物以及仅CO2。这些专利中的两个提出了气体净化方法，但它与气体产物无关，而是与从气体净化出任何金属蒸气(燃料)相关以避免在涡轮或回热器内部镀覆。由于这些专利是针对有高压瓶装氧或液氧的海底系统，未涉及氧产生。
在美国专利8,205,455中，GE提供了有化学计量(基于空气)燃机和废气再循环的燃气涡轮机的一种复杂布置。在这个系统中，N2(氮)和CO2被再循环，并且刚刚够的高压空气被用来支持燃烧-过量空气的减少使得烟道气更容易净化用于其他应用。
发明内容
本发明的目的和优点将在下面的描述中阐述并变得明显。本发明的其他优点将通过在书面描述和权利要求书中以及从附图中特别指出的所述设备、系统和方法实现并获得。
为了实现这些和其他优点并且根据本发明的目的，如所实施的，本发明在一个方面包括改进的活塞发动机半封闭式循环动力系统。本发明的另一方面在于所述系统是紧凑的，能够在高于环境排气压力下工作，并且在于发动机运行、热回收、氧产生和气体净化被以提高效率并降低资金成本的方式集成。预期的结果是在单独发动机的相同或更好的净循环效率(燃料消耗率)下产生无排放动力，并且还提供可销售(管道规范)的加压CO2。
在发动机进气歧管中独立地控制过量氧的量以及氧与稀释剂比例的能力也是所需要的，并是所述设计的一部分；具体地，在比21％高得多的氧下操作的能力允许使用热值非常低的燃料或燃料水浆，同时仍在发动机中实现良好的燃烧。
本发明针对一种循环活塞发动机动力系统，其包括，除其他外，活塞发动机、水分离和冷却单元、混合压力容器和氧发生器。活塞发动机产生动力和废气。水冷却和分离单元从活塞发动机接收废气并冷却，并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给。CO2气体供给的至少一部分被提供到所述混合压力容器，所述容器将CO2气体供给与氧混合以创建要提供到活塞发动机的工作流体。氧发生器提供氧到混合压力容器。
在某些实施例中，所述系统还包括从所述混合压力容器接收工作流体并将所述工作流体提供到活塞发动机的鼓风机。可设置从鼓风机接受工作流体并将其提供给所述活塞发动机的涡轮增压器。
优选地，所述循环活塞发动机动力系统还包括用于产生额外功率的热回收单元。在某些结构中，所述热回收单元通过超临界布雷顿CO2循环产生额外功率。
在某些结构中可以设想的是，氧发生器包括第一和第二变压吸附床(Pressure Swing Adsorption bed)。氧发生器可以经由PSA床与活塞发动机的机械集成产生氧。
在本发明的某些结构中，氧发生器是基于一体式分子筛的空气分离单元。可选地，氧发生器是基于膜的空气分离单元或基于低温的空气分离单元。
可以进一步设想的是，该系统可包括气体净化子系统，其从所述水冷却和分离单元接收CO2气体供给的一部分，并在所需压力下提供调整好的CO2气体。在本发明的实施例中，气体净化子系统是包括至少两个变温吸附(temperature swing adsorption，TSA)床的变温吸附系统。
还可以设想的是，所述系统可以包括废热回收系统和/或吸附式制冷机制冷系统。
优选地，该系统是半封闭式系统。
本发明还针对一种循环活塞发动机动力系统，其包括，除其他元件外，活塞发动机、水冷却和分离单元、混合压力容器、氧发生器和气体净化子系统。
活塞发动机产生动力以及提供给水冷却和分离单元的废气，所述水冷却和分离单元接收废气并冷却，并从废气中除去水以创建CO2气体供给。混合压力容器从水冷却和分离单元接收CO2气体供给的至少一部分，并且将CO2气体供给与氧混合以创建要提供到活塞发动机的工作流体。氧发生器提供要被用来创建工作流体的氧到混合压力容器。气体净化子系统接收来自水冷却和分离单元的CO2气体供给的一部分，并在所需压力下提供可用在其他工艺或应用中的调整后的CO2气体。
可以设想的是，这种系统可以包括从所述混合压力容器接收工作流体并将所述工作流体提供到活塞发动机的鼓风机。
该系统还可以包括从鼓风机接受工作流体并将其提供给所述活塞发动机的涡轮增压器。热回收单元也可以设置到系统以产生额外功率。
在本发明的某些实施例中，所述气体净化子系统是变温吸附系统，该系统包括至少两个变温吸附(TSA)床，或者如果需要两阶段的污染物去除，所述系统包括TSA与变压吸附或VPSA床的组合。
本发明还针对一种半封闭式循环活塞发动机动力系统，除其他元件外，活塞发动机、水冷却和分离单元、混合压力容器、鼓风机。活塞发动机产生动力和废气。所述水冷却和分离单元接收废气并冷却，并从废气中除去水以创建CO2气体供给。混合压力容器从水冷却和分离单元接收CO2气体供给的至少一部分，并将CO2气体供给与氧混合以创建要提供到活塞发动机的工作流体，以及氧发生器用于提供氧到所述混合压力容器。鼓风机从所述混合压力容器接收工作流体并将所述工作流体提供到活塞发动机。
附图说明
为了使本发明所属领域的普通技术人员更容易理解如何使用本发明的系统和方法，其实施例将在下文中参照附图详细描述，其中：
图1示意性地示出了本发明的循环活塞发动机动力系统的实施例；
图2示出了与图1的系统一起使用的活塞发动机子系统和主空气压缩机；
图3示出了可以与图1的系统一起使用的热回收单元和水分离器；
图4示出了可以与图1的系统一起使用的混合压力容器进气组件和氧发生器；以及
图5示出了可以与图1的系统一起使用的气体净化系统。
本主题发明的这些和其他方面从结合附图的本发明以下详细描述中对本领域普通技术人员将变得更加显而易见，
具体实施方式
本发明现在参照附图更全面地进行描述，其中示出了本发明图示的实施例。本发明不以任何方式受限于图示的实施例，因为在下面描述的图示实施例仅仅是本发明的示例，其能够以本领域技术人员所理解的各种形式实施。因此，应当理解的是，本文所公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制性的，而是仅仅作为权利要求的基础并作为教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表。此外，本文使用的术语和短语不旨在是限制性的，而是旨在提供本发明的可理解描述。
当提供一个数值范围时，应该理解的是，除非上下文另有明确规定，该范围的上限与下限之间，到下限单位的十分之一的每个中间值，以及在所述范围中的任何其他规定值或中间值包含在本发明之内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括在较小范围中，这些较小范围也包含在本发明内，在所述范围内服从任何明确排除的限值。当所述范围包括限值中的一个或两个时，排除了所包括限值中的任一两个的范围也被包括在本发明中。
除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语具有由本发明所属技术领域的普通技术人员普遍理解的相同含义。尽管类似或等同于本文描述的那些的任何方法和材料也可在本发明的实践或测试中使用，现在说明的是示范性方法和材料。本文提及的所有出版物均通过引用并入本文以公开和描述与引用出版物相关的方法和/或材料。
必须注意的是，除非上下文另有明确说明，如本文和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一”，“一个”和“该”包括复数对象。由此，例如，所提及的“一种刺激”包括多个这样的刺激，并且所提及的“该信号”包括提及的一个或多个信号以及本领域技术人员已知的其等同物，等等。
本发明总体涉及一种在半封闭式循环中操作压燃式或火花点燃式往复活塞发动机的系统，其方式是无排放的，并产生可销售产物，特别是加压的CO2。动力系统设置有提供氧的基于一体式分子筛的空气分离单元。(可选地，它可以设置有基于膜的空气分离单元，或基于低温的空气分离单元。分子筛的方法是优选的，因为所述膜系统会具有较低的氧纯度和增加的氮含量-对发动机的操作有益，但对气体净化系统有害，而基于低温的系统会产生非常高的氧纯度，但一般会有很少的或没有氩存在-对气体净化系统有益，但对发动机的操作有害)。
废气(例如，主要是CO2)被再循环以提供燃烧稀释剂和工作流体。系统的高等级废热被用于冷却排气(过程的一部分)，并通过亚临界/超临界CO2布雷顿循环以产生额外动力。所产生的产物，CO2被压缩、纯化并在加压下提供给用户，并且还作为热回收系统中的工作流体。所述热回收系统还进而提供干热的CO2用于再生气体净化变热吸附分子筛。最后，低等级的废热经由吸附冷却机过程用于提供对CO2液化的制冷。
应当理解的是，本发明的这个系统是特定用途的，其中，过程需要动力和加压CO2两者。提高石油采收率是这样的过程的一个例子。还应理解的是，本发明的系统适用于两冲程、对置活塞发动机，并适用于传统的两冲程、四冲程和旋转活塞发动机。中速发动机(其具有用于燃烧过程的更多时间)以及特别是容忍在高“增压”(进气歧管)压力下操作的发动机(诸如中速对置活塞发动机或重型低到中速四冲程发动机)均适合于所述循环，但本发明不应被理解为受限于这样的中速发动机。
应当指出的是，虽然下面描述的系统有许多用于最高效率实施例的部件，所述系统的一些部分是可选的，例如废热回收系统或吸附式制冷机制冷系统。有上述组建模块的各种组合的几种可选实施例也要求保护。
现在描述性地转向附图，其中类似的附图标记表示贯穿几个视图的相似元件，图1描绘了已经以附图标记100表示的循环活塞发动机动力系统的实施例。系统100包括未修改的鼓风机扫气(scavenging)涡轮增压两冲程活塞发动机1。FME 8-1/838D对置活塞发动机是这样的机器的一个例子。在大多数较大的两冲程活塞发动机中，扫气通过鼓风机提供，并且在FME OP的中速、连续设计中，鼓风机的气流量是支持燃烧所需的氧所需的2-3倍，额外的空气用作稀释剂和机器的工作流体。提供了这样的发动机的仅涡轮增压的版本，但几乎所有的(大的)自然吸气二冲程发动机包括鼓风机。所述涡轮鼓风机版本被描绘，并且这种类型的发动机在相对高的增压压力下操作，并且对于二冲程发动机，在相对高的净平均有效压力(Net Mean EffectivePressure)下操作。具体地，12气缸涡轮鼓风机OP通过12,422立方英寸(8.125”孔，20”总行程)产生4200马力(hp)，这导致149psi(磅每平方英寸)的NMEP，并且在校正鼓风机功率时，实际的发动机NMEP是156psi。这个讨论的要点是，在900rpm下实现接近每立方英寸1/2马力的数字需要高增压压力-所述涡轮增压器(和鼓风机)结合以在此发动机中提供超过25psig(磅每平方英寸，表压)(40psia)的进气歧管压力-涡轮增压器上游的排气压力是类似的。这对于连续工作发动机是高增压压力。
在系统100中，发动机1连接在半封闭式循环结构中，热回收单元子系统2用来冷却排气和回收额外功率。子系统3提供额外冷却，并通过冷凝和机械相分离从排气中分离一部分的水-这便利于可能是50-90+％的CO2回到混合压力容器子系统4的再循环。子系统4接收暖的排气再循环流，并将其与来自子系统5空气分离单元的中到高纯度的氧混合。子系统5基于变压吸附的空气分离单元直接或间接地由发动机驱动-理想地来自空气分离过程的负载被来自热回收过程的额外功率不止于抵消(more than offset)。PSA操作的细节将在说明性实施例中讨论，但很重要的一点是，氧可以在显著正压力下从子系统5提供到子系统4。应当注意的是，系统100工作在类似或略高于发动机正常增压压力的再循环压力下-潜在地消除了昂贵的涡轮增压器部件，消除或显著减少了后冷却器部件的大小和成本，并大大减少了气体分离部件的尺寸和复杂性。
子系统6是气体净化系统的简化图示。变速驱动操作固定排量压缩机，其移除了一部分的废气再循环气体(主要是CO2)、通过变温吸附过程使其干燥，然后液化和泵送CO2，最终为客户提供干燥的管道质量的CO2。
子系统7是具有水分分离的全功能压缩机，其提供相对干燥和冷空气到子系统5PSA。在优选实施例中，子系统7由发动机以类似于鼓风机/增压器的方式直接驱动。PSA过程所需要的空气体积未显著地不同于通过对置活塞(OP)发动机通常所泵送的总空气量。
现在参考用于系统100的整体布置的图1；参考用于与子系统1活塞发动机和子系统7主空气压缩机相关的细节的图2；参考用于与子系统2热回收SC布雷顿发电机(Generator)相关并与子系统3主水分离器相关的细节的图3；参考用于与子系统4入口组件和子系统5氧发生器相关细节的图4；并且参考用于子系统6气体净化系统上的细节的图5。
鼓风机8直接耦合到发动机轴以提供扫气(在2-冲程发动机中)。通常地，鼓风机/增压器可以有显著的压力差以帮助在发动机中产生增压。在系统100中，由于发动机已经在升高的压力下，进气侧和排气侧两者都运行在15至60psia(标称40psia)之间，此鼓风机是轻载的，并为提供扫气足够的压力差(1-2psi)、再循环系统的压降，并帮助启动。在一个可选实施例中，在自扫气的发动机(例如四冲程发动机)中，鼓风机将不是必需的。
鼓风机8通过可选的涡轮增压器压缩机9提供工作流体(O2、CO2和其他气体的混合物)到发动机10，所述发动机直接耦合到发电机11，或其他负载。典型地，涡轮增压器涡轮12直接耦合到涡轮增压器压缩机9。如所讨论的，此发动机能够无需涡轮增压器而在显著的增压压力下操作，并且部件9和12可以被除去-以“自然吸气”二冲程发动机开始，该发明会工作的同样好。不管涡轮增压器是否存在，在点13处的排气温度在这一设计中比常规的涡轮增压发动机高-由于涡轮增压器或者被除去或者用很少的压力差操作，横跨涡轮的温度差同样非常小。同样地，压缩机排放温度(发动机10，进气歧管温度)较低。具体地，对于40psia发动机操作(增压)压力，具有标称15psia的空气，使用85％的高效压缩机和涡轮级，来自压缩机的空气将在温度上增加超过200华氏度，典型地从100华氏度至300+华氏度(无后冷)。对于相同的发动机，在涡轮增压器压缩机上游的排气温度将高于下游超过300华氏度-在以这种增压水平的典型中速发动机中，排气歧管的温度在最大负荷下会是1100华氏度，涡轮增压器出口温度在800°华氏度左右。由于系统100可以不使用后冷而降低发动机进气歧管温度是有价值的并增加了功率密度。这种发动机可以在显著的增压压力下操作，但在排气点13处提供更高的温度的事实是价值更大的。
子系统2，即超/亚临界CO2布雷顿循环热回收发电机，接收来自点13的高温发动机排气，并经由热侧热交换器14冷却它。这在点15子系统2的涡轮入口处导致1050华氏度(比排气温度低约50华氏度)且标称6000psia的超临界压力的条件。子系统2使用纯的CO2作为工作流体。流体通过涡轮机16膨胀至1200psia(在设计状态)，驱动发电机17和压缩机18。低侧热交换器19在点20处冷却超临界二氧化碳至约100华氏度。工作流体(CO2)在压缩机18中被再压缩，并在约6000psia、275华氏度下提供到热交换器15。最终结果是，活塞发动机10的排气被从在点13的1100华氏度冷却至在点21的300华氏度。注意，所有的这些压力和温度是在设计状态下估计的，并会随负载变化。另外注意，封闭式超临界CO2布雷顿循环热回收系统通过在发电机17(运行在恒定速度下，因此压力比恒定)处的负载管理控制，并通过改变循环中的总质量控制。虽然1200psia的入口、6000psia的出口可以是压缩机在全功率下的设计状态，在1/10(1/10th power)功率下，人们会期望在相同点处的标称120psia和600psia–并且循环效率在理论上是不变的(实际上它会略微降低，因为循环在超临界压力下更接近最佳)。在压力比和换热器设计压力中的其他选择当然是可以的。压力比5对于单独的布雷顿循环不是最佳的，但是给出了合理地低的压缩机出口温度，使得能够很好地利用可用的发动机排气废热。
活塞发动机10运行在高的总压力和高的排气压力下的事实是重要的，并且是系统100发明性方面中使得这个循环更加实用(降低HX大小)的一个显著部分。用85％的机械效率以约5的压力比运转的超临界CO2布雷顿循环以1050华氏度的高侧温度(在点13处的1100华氏度的排气温度和50华氏度的换热器靠近温度)工作在接近21％的循环效率下。有回热器的超临界CO2布雷顿循环会在达到30％或更多的更高效率下工作，但不会同样多地冷却所述排气。它将充分地冷却排气，使得更常规的废热至发电系统(通常基于R134A)可被用作底循环，而无需使用热油或其他技术防止制冷工作流体的热击穿。在预期条件下(没有涡轮增压器、排气温度高、无回热器)，子系统2将增加10％或更多至总系统输出，也就是从满负荷3MW发电机产生额外的300kW。具有800华氏度排气的常规涡轮增压发动机将导致低2个点或更多的循环效率，但更显著地导致更低的可用热量，减少子系统2传输功率40％或更多。
仍然有过热水蒸气的部分已冷却的发动机排气从点21(在标称300华氏度)流至子系统3(或通过常规底循环废热至发电系统流至子系统3)，水分离器。额外的冷却被提供，这导致大多数来自燃烧过程的水冷凝。液态水收集在水分离器3的底部，取水的量通过在点22处的液面控制器以及水分离器子系统3的热管理(冷却)控制。在这个点的冷却量确定在24处再循环排气流中的水蒸汽的饱和度(分压)。在140华氏度，水蒸汽的分压在点24处为约3psia。如果系统压力是40psia，那么再循环排气将是水蒸汽体积的7.5％(3/40th)。通过仅冷却到170华氏度，水蒸气浓度可提高到两倍，或通过冷却到110华氏度而是那样的一半(half of that)。理想地，再循环线路24和子系统4混合容器被保持在这些温度之上(通常为使用来自发动机10的高于170华氏度的夹套(jacket)水的带夹套(jacketed)线路/容器)，以避免水的冷凝。否则水在这些点的冷凝可能导致腐蚀(与CO2形成碳酸)。子系统3还具有用于系统启动的排气阀。子系统4不过是小的水夹套的压力容器，其具有内部屏弊件以提供排气再循环气体24与子系统5的氧的良好混合，从而为发动机10提供“代用”空气混合物。子系统4还包括阀/止回阀以允许用于系统启动的空气进入。
子系统5，即氧气发生器或空气分离单元，通过变压吸附(PSA)过程(其一个子集是真空变压吸附(Vacuum Pressure Swing Adsorption VPSA)过程)操作。子系统7是全功能压缩机，这意味着它包括冷藏干燥，所得到的空气具有45华氏度或更低的露点。空气被加压地提供到一组螺线管或空气操作的三通阀25、26和27，其同时地操作以将空气输出供给至在容器/床28或容器/床29之间交替。所述容器填充有分子筛、流量分配板、过滤介质和屏蔽件，并且被弹簧加载以保持恒定的床压力。所述阀同时操作以将气流从床28切换到床29，反之亦然。循环时间将取决于单元的大小，但通常是以分钟计。阀30提供一种在过渡期间均衡床压力的装置，并且还提供用氧产物清洗不在使用中的床的能力。所产生的氧流过缓冲罐和控制阀调节器31到子系统4。
氧能够以高达95％的纯度在点32处产生，当在95％的纯度下操作时，平衡气体主要地是氩(4.5％)，以及量小得多的氮(0.5％)。通常地，稍微低的纯度是优选的(增加O2产量)，较低的纯度产生更大量的N2。在点32处所产生的氧与再循环流24的混合物在点33处产生用于发动机操作的代用“空气”。改变系统压力(将要讨论)、进气温度(进气歧管的净温度低于非后冷活塞发动机可实现的)、气体混合物(O2百分比)以及燃烧需求的可用O2比率的能力提供了更高的系统效率，以及对系统排放的控制。
氧可经由变压吸附过程产生，或通过在点34处的真空源连接，经由真空变压吸附过程产生。后者通常被认为是更高效的，但在以PSA有可能的较高系统压力下不会被允许操作。如这些系统的设计中所常见的，所用的特定分子筛将随着所选择的过程而变化。可选地，可以使用空气膜分离方法，并且肯定会提供加压的富氧混合物，或者在较大的系统中可以使用在那里变得更具成本效益的低温氧产生方法。
空气流的优于50％的氧回收可用强真空(小于1/2大气)并且使用LiX吸附剂实现，所述吸附剂诸如UOP VSA-10。点32处的系统压力将仍然是正的(高于大气压)，但不会无需使用额外压缩机而达到发动机10的全增压压力水平。虽然单独地考虑作为O2源时也许效率较低(～40％的回收率)，PSA方法对于所述系统是优选的，因为其提供显著更高的工作压力，从而降低了所有其他子系统中的元件尺寸(和资金成本)。在点32处超过40psia的压力被容易地实现(可以使用60psig的空气供给，以及高达100psig的空气供给)，具有与使用或者UOP PSA O2HP或者O2XP MOLSIVTM的VPSA系统具有相似的纯度能力。
对于天然气燃料，当氧导入是燃烧所需的100％并且O2在点32处的纯度为95％时，二氧化碳在点24处的浓度将变化到约91.5％(以干燥气体的质量计，主要由氩平衡)的高度。当氧的纯度较低时，或者当氧被有意以大于燃烧所需(例如为了实现良好的燃烧)而输送时，在点24处的混合物会发生变化。在点32处90％纯度(以体积计)并且是燃烧需求的110％的氧将产生11％的O2、7％的Ar(氩)、7％的N2和75％CO2(全部以质量计)。显然地，在更高的过量O2水平下或以较低纯度操作的能力是存在的，虽然不是优选的，因为它增加了子系统6，净化系统的复杂性。
子系统6从管路24经由正排量压缩机35和可变速发动机36抽出过量的再循环气体。发动机36的速度被改变以在再循环管线以及间接地在子系统4中保持所需的压力。如所讨论的，抽出的气体主要是CO2，但还包括一部分的O2、Ar、N2，甚至包括一些不完全燃烧的产物，诸如HC或CO。此外，所述气体是水蒸汽饱和的，以体积计大概7％左右。全功能压缩机35通过压缩、冷却和凝聚过滤器水分分离的组合除去了大部分的水蒸汽，但露点可以期望保持在45-50华氏度，水的分压是0.1-0.2psia。
通过三通阀39和40控制，变热吸附(TSA)床37或38被用于完成干燥过程，并吸收一部分其他不期望的气体。TSA在功能上类似于PSA(并且使用PSA或VPSA是可选的，如TSA/PSA和VPSA的组合)，吸收特定分子尺寸的分子筛方法(用主要集中在除水上的3A吸附剂或氧化铝，以及使用基于预期污染物而调整的少量其他吸附剂)，但再生是热学的-通过端口/阀41-44使用的干热气体以恢复所述床(方法遵循其后)。被除去材料(水)的量已经是相当低的，并且这些床的循环时间将是以小时计的，而不是以分钟计。使用这种技术干燥至露点为-80华氏度或更低是可能的，虽然对于此应用是不需要的。目标仅仅是除去水蒸汽和一部分的其他非CO2杂质到结霜不会在所述过程后面的半低温部分中发生的水平。可以预期的是，-40华氏度或更好的露点将在点45处实现，但是一些“非冷凝”气体将保留。少量的N2或Ar可能存在，并且取决于系统的操作条件，可能存在显著量的O2。后者对于管线规范的CO2(期望的O2水平为10ppm)是一个问题。氧的消除是通过液体CO2从气态(非冷凝)污染物中的物理分离，或可选地，经由使用不同分子筛的另一PSA过程，所述分子筛最有可能的是13X。另一个消除氧的可选例当然是在富燃料模式中操作所述半封闭式循环发动机，或可以在子系统2废热至发电/热回收系统之前在催化剂或燃烧中清除废气中的任何氧。
在氧的半低温相分离过程和其他不可冷凝气体的去除中，使用先前液化的CO2，47的汽化热的逆流热交换器46提供了富CO2混合物的初始冷却，所述混合物然后流入到低温冷却器48。CO2液体通过分离器49从其他气体物理地分离，作为液体经由泵50泵到2000+psig，并在热交换器中蒸发返回到气体状态。气体在点51处被排出，或返回到所述过程的其他部分，这可以例如包括送入子系统5中的空气，虽然过程中总的氩水平(其将趋向于浓缩)必须加以管理。气态产物，干燥并且比较纯的CO2被在点52处提供。
在更细节的水平上，这种TSA干燥系统(子系统6)以及SC CO2布雷顿循环(子系统2)(未示出)的附加集成在这里讨论。如所讨论的，所述床将周期性地需要再生。通常情况下，产物(干燥的CO2)被电加热至600华氏度或更高，并且被逆流吹回通过所述床以用于干燥。这浪费产物和动力，并且还需要额外元件。在本发明中，涡轮机入口从15渗出的CO2被输出到点41或43，并用阀42或44排出以再生该床。同样周期性地，在子系统2中可需要额外的工作流体质量。干燥的CO2被加压地从点52提供到压缩机入口，点20，以增加在子系统2中的质量。最后，周期性地，在子系统2中的质量必须被减小，用于再生的同一管路被使用，但无需打开阀42或44。
那些有发动机排放控制经验的人士熟悉的其他配件可以集成到此系统，以满足当地的排放要求。显然地，CO2的排放差不多全被这个系统消除，但在点13处可能存在HC和CO，或者可选地，高水平的O2可在点13处存在-催化或中试反应器可以在点13处插入以或者使用额外的氧注入而烧掉碳氢化合物/CO，或者经由燃料注入消耗/获得过量的氧。任一技术都是可能的，并且会具有升高子系统2处温度的所需效果，使得能够产生额外功率。与一定的催化剂一起使用的过量O2也可以将SO2(二氧化硫)在点13存在的温度下转化为SO3(三氧化硫)-这种转化将使得能够通过子系统3脱硫(作为H2SO4)。此外，在点13或点51处的反应器的组合可以用于将排放控制到甚至低于用这种已经无排放循环可实现的。已迫使活塞发动机降低效率(降低燃烧温度、降低压缩比等)的特别令人头疼的排放物NOx预计在此系统中被几乎完全消除，因为N2本身可以基本上通过子系统5消除。
超出本文所讨论那些的本行业人士所熟悉的其他热回收/热利用技术也可以应用。特别是使用R134A作为工作流体的有机朗肯循环(RankineCycles)可以利用发动机夹套的水热，尤其是在寒冷的气候中，诸如阿拉斯加或加拿大。当冷却可在50华氏度或更低温度下可获得时，温度低至165华氏度的废热已经被用在地热项目中。吸附冷却器也可以与夹套水废热集成，并且用于代替电低温冷却器48。无论它是SC CO2(超临界二氧化碳)系统或者是诸如R134A或R245FA的朗肯循环系统，热回收系统或发电机可以包括回热器。
应当理解的是，本文所讨论的所有压力通过本发明的灵活性可以改变得相当多。例如，对于用PSA生成的O2，在60psia或更高的歧管压力下操作发动机是可能的，假设停留在远高于CO2的三相点上的(75psia可能是下限)一个，在点35处以低得多的压缩机压力操作将是可能的(在点48处的制冷水平较低)。因为它显著地降低了在36处的负载，这增加了效率，但由于CO2中溶解氧的水平可能会在点50增加，这也将导致较差的气体质量。在本文中所讨论的所有压力和其他状态变量在此时(临时提交)都是标称的，并且将在来年缩小/完善。
本发明的可选实施例也可以说是单独地或集体地大致包括在本文所提及或指出的部分、元件和特征中，包括在任一或两个或多个的部分、元件或特征的所有组合中，并且其中，本文提及的特定整数在本发明所涉及领域中具有已知的相等值，这些已知相等值被视为并入本文，如同单独阐述的。
上面介绍的是以这样充分、清楚、简洁和精确术语的预期用于执行本发明的最佳模式的说明，并且是制造和使用它的方式和过程的说明，以使得所属领域技术人员能够制造和使用这些设备和方法。然而，本发明易受来自于充分等效的上面讨论的修改和可选方法步骤。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例。与此相反，本发明包括在本发明的精神和范围内的所有修改以及可选结构和方法。
上述描述以及附图应被解释为说明性的而不是限定性意义的。虽然本发明已经结合其优选实施例或实施例进行了公开，但是应当理解的是，也有可能存在落入由以下权利要求所限定的本发明范围之内的其他实施例。其中，一个权利要求，如果有的话，被表示为用于执行特定功能的装置或者步骤，其意图是，这样的权利要求应解释为涵盖相应结构、材料或在说明书中描述的动作及其等同物，包括结构等同物以及等同的结构两者、基于材料的等同物和等同的材料两者，以及基于动作的等同物和等同的动作两者。

Claims (22)

1.一种循环活塞发动机动力系统，包括：
i)用于产生动力和废气的活塞发动机；
ii)水冷却和分离单元，其接收废气并冷却并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给；
iii)混合压力容器，其从所述水冷却和分离单元接收所述CO2气体供给的至少一部分，并将所述CO2气体供给与氧混合以创建要提供到所述活塞发动机的工作流体；和
iv)用于提供氧到所述混合压力容器的氧发生器。
2.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括从所述混合压力容器接收所述工作流体并将工作流体提供到所述活塞发动机的鼓风机。
3.根据权利要求2所述的循环活塞发动机动力系统，还包括从所述鼓风机接收所述工作流体并将其提供给所述活塞发动机的涡轮增压器。
4.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括热回收单元以产生额外功率。
5.根据权利要求4所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述热回收单元通过超临界布雷顿CO2循环产生所述额外功率。
6.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发生器包括第一和第二变压吸附床或真空变压吸附床。
7.根据权利要求6所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发生器经由所述吸附床与所述活塞发动机的机械集成产生氧。
8.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发生器是基于一体式分子筛的空气分离单元。
9.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发生器是基于膜的空气分离单元或基于低温的空气分离单元。
10.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括气体净化子系统，其从所述水冷却和分离单元接收CO2气体供给的一部分，并在所需压力下提供调整好的CO2气体。
11.根据权利要求10所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述气体净化子系统是包括至少两个变温吸附(TSA)床的变温吸附(TSA)系统。
12.根据权利要求10所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述气体净化子系统是包括至少两个吸附床的变压吸附(PSA)系统或真空变压吸附(VPSA)。
13.根据权利要求10所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述气体净化子系统包括变温吸附(TSA)床以及变压吸附(PSA)或真空变压吸附(VPSA)床二者。
14.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括废热回收系统。
15.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括吸附式制冷机制冷系统。
16.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述系统是半封闭式系统。
17.一种循环活塞发动机动力系统，包括：
i)用于产生动力和废气的活塞发动机；
ii)水冷却和分离单元，其接收废气并冷却并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给；
iii)混合压力容器，其从所述水冷却和分离单元接收所述CO2气体供给的至少一部分，并将所述CO2气体供给与氧混合以创建要提供到所述活塞发动机的工作流体；
iv)用于提供氧到所述混合压力容器的氧发生器；和
v)气体净化子系统，其接收来自所述水冷却和分离单元的CO2气体供给的一部分，并在所需压力下提供调整后的CO2气体。
18.根据权利要求17所述的循环活塞发动机动力系统，还包括从所述混合压力容器接收所述工作流体并将工作流体提供到所述活塞发动机的鼓风机。
19.根据权利要求18所述的循环活塞发动机动力系统，还包括从所述鼓风机接收工作流体并将其提供给所述活塞发动机的涡轮增压器。
20.根据权利要求17所述的循环活塞发动机动力系统，还包括热回收单元以产生额外功率。
21.根据权利要求17所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述气体净化子系统是包括至少两个变温吸附(TSA)床的变温吸附系统。
22.一种半封闭式循环活塞发动机动力系统，包括：
i)用于产生动力和废气的活塞发动机；
ii)水冷却和分离单元，其接收废气并冷却并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给；
iii)混合压力容器，其从所述水冷却和分离单元接收所述CO2气体供给的至少一部分，并将所述CO2气体供给与氧混合以创建要提供到所述活塞发动机的工作流体；
iv)用于提供氧到混合压力容器的氧发生器；和
v)鼓风机，其从所述混合压力容器接收所述工作流体并将工作流体提供到所述活塞发动机。
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