CN1057315A - 产生机械能的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

将碳氢化合物基的原始燃料中化学能连续转换 成可用机械能的方法及其实施该方法的设备，其特征 为：将原始燃料通过吸热反应转化成一种具有较高绝 对热值的转化燃料；通过投入转化的燃料再附加或不 附加原始燃料进行燃烧，以及，对用于吸热反应的反 应腔的加热可以通过压缩后的燃烧用空气来完成，以 及实施该方法的设备，其特征为：第一燃烧室安置在 压缩机驱动一燃气涡轮单元之前，并设置一个用于吸 热化学反应的反应器，输送管道可直接从反应器通至 第一燃烧室。

Description

本发明涉及一个产生机械能的方法，属于权利要求1前序部分的技术领域，还涉及一个实施该方法的装置。
在大多数热电厂中，为产生电能，首先在锅炉设备中燃烧天然化石（古生）的燃料产生过热的蒸汽，而蒸汽在蒸汽涡轮中膨胀同时转化成机械能。蒸汽涡轮是与发电机相连接好的，这样，机械能就能转变成电能。而后者涡轮带动发电机的效率可以明显地高于90%。与此相反，使用的燃料就化学性质而言，能量转化成机械能的效率实际上是不够高的，因为涡轮效率本身在大功率情况下最高也只有37%，还有在加热锅炉中也必定损失。而且至今在许多情况下，通过燃烧生成的热量大约只有35%可有效地用于产生电能，同时，大约65%的热能作为废气丢失或者只可以作为纯粹热能来加以利用。
在近代，人们采用如下措施，使总的效率得到一个明显的提高，即人们将热能转换成机械能时使用一种燃气涡轮和蒸汽涡轮的组合方案，同时，高温时燃汽首先在燃汽涡轮上膨胀作功，而将这燃气涡轮的排气（废气）作为供给蒸汽涡轮所需要的蒸汽。另外的改进方案是，人们将蒸汽涡轮排出的压力较低的蒸汽再送回连接在燃汽涡轮前边的燃烧室中，这样就可产生一个更大的推动燃汽涡轮的体积流。这些措施就可实现热能转化成机械能的总效率，在较大设备时（大于50MW兆瓦）提高至一个较高的级别：大约从48%至50%。
这样一种组合式燃汽/蒸汽运行生产过程在DE3331155A1中就是一例。为生产必需的用于燃气涡轮时热（高温）燃气，一般使用流动的燃料，也就是说，液体的或者气体的碳氢化合物。为了尽量避免产生氮氧化合物，就通过往燃烧室中导入一部分用燃气涡轮废气热产生的蒸汽而燃烧室温度降低，在总功率为300MW（兆瓦）的情况下，应用这样的生产过程，可达到的效率为48%。
在杂志VGB（火力发电技术）68期（N15，1988年5.页数：461～468），也描述了一种组合式燃气/蒸汽涡轮运行过程，其中与碳气化（俗称焦化煤气）工作相关。在碳气化工序中产生的可燃气体，在经过净化以后，其一部分和压缩加压的空气在第一燃烧室中燃烧。同时，所产生的高温燃气首先被用于过加热水蒸汽以便于煤气化以及煤（碳）气化本身的加热，然后在第一燃气涡轮上膨胀作功，该涡轮本身要驱动一个压缩机加压必要的燃烧用的空气。在碳气化中产生的可燃气体之另一部分则在第二燃烧室中燃烧，此后直接在第二燃气涡轮上膨胀作功，这个涡轮与另一个加压第二燃烧室中必需的燃烧用空气的压缩机机械方式相连接，还与一个产生电能的发电机机械方式连接。第二燃气涡轮膨胀作功后的废气在排入大气以前，和第一燃气涡轮（压气机驱动涡轮）的膨胀后的废气一起还被用于水蒸汽的生产。这些蒸汽在一个蒸汽涡轮上膨胀作功，该蒸汽涡轮同样与一个产生电能的发电机相连接。一部分蒸汽从蒸汽涡轮部分膨胀作功以后就被分流接出，然后通过第一燃烧室的燃气按照已经提及的过加热以后用于碳气化过程。
在这种公知的设备中使用煤作为原始燃料，它首先被加工得可以用于燃气涡轮的运行，即在先要被气化。这种转换就技术观点而言是必须进行的，因为，在燃烧过程中产生的灰尘部分对燃气涡轮是有损坏的。与此相反，对于碳氢化合物基的燃料，有液体和气体的，都不含有灰尘部分，因此，毫无疑问可直接用于一个联合的燃气/蒸汽运行过程。这种公知设备的一个特点是燃气首先被分成两个完全独立的支流，以用于不同的生产工序，然后，它们（分支流）在该方法的末端一起用于蒸汽的产生。这种设备的有用效率（纯净）大约可达42%，同时，为生产运行所需的内部能耗约为7.5%。
另外一个用燃气/蒸汽涡轮产生电能的组合运行方案在US4478039中公开，其中，首先进行碳（煤）的气化工序。在那里产生的气体（煤气）以高压输入到一个燃烧室中燃烧。所生成的高温燃气然后在一个燃气涡轮上膨胀作功，这个涡轮驱动一个发电机和一个用于压缩燃烧用空气的压缩机。这降压后的涡轮废气另外还可用来加热煤的气化装置和产生蒸汽用于蒸汽涡轮工序。同样，蒸汽涡轮驱动一个发电机。而关于碳氢化合物基的燃料的利用问题，在这份资料中没有任何说明。
此外，从DE3740865A1中也公开了一种制备氢的方法和装置。其中将一种气态的原始燃料，也即一种碳氢化合物进行蒸汽改良成一种高浓度氢的气体，其具有比原始燃料流量提高了的绝对热值。
此处的“绝对热值”（absoluten  Heijwert”）不同于一般的和单位重量相关的热值。确切地说，这里意味着总体量的燃烧热，这个热值包含在一个确定数量的原始燃料中，或者换句话说，包含在一个定量的原始转化燃料中。而转化燃料是同样数量的原始燃料通过吸热反应而产生的。在用蒸汽改良的情况下，由于在吸热反应中添加了水蒸汽组份，所以转化后的燃料总量必然比原始燃料的初始量要明显地增加，这样，与重量相关的热值甚至要低于以前的，尽管在燃烧转化成燃料时可释放出更多的自由使用的热量。
按照DE3740865A1的生产过程所生成的粗煤气，为了获得一种纯净的氢气体需要在一个净化工序（如：压力变化的吸附装置）中进行处理，其中，不洁物（例如：CO，CO2，H2O，未转化的碳氢物）就被分离，并作为废气流排出。这种可燃的废气流，它肯定还会含有一定的氢气体剩余量，它在一个压缩机里被加压在一个的较高的压力之后就作为一种可燃气体燃烧，例如和加压的空气在间接加热蒸汽改良装置的加热腔中燃烧。由于相当多的氢气从粗煤气中分离出来，所以在净化工序中排出的废气流的绝对热值要比粗煤气的绝对热值低，也还低于投入使用的原始燃烧的热值。为此，非常必要的是，在蒸汽改良的加热工序中有一部分原始燃烧要直接一起燃烧。由此产生的燃气就在蒸汽改良的加热工序以后被送入一个燃烧室中作为降低温度的缓冲气体，其中，一部分原始燃烧与加压的空气混合燃烧。从这个燃烧室排出的燃气流而后到一个燃气涡轮上膨胀作功。这个燃气涡轮提供在该方法中必需的压缩机驱动能量，此外，还可以通过连接一个发电机从而产生电能。
在这种公知的方法中，原始燃料转换的本身只是因为所期望得到的氢气，除了这个方法需要外，其它任何的应用也是需要的。也即从DE3740865A1中没有给出启示：这种吸热的燃料转化，当其转化的燃料紧接着用于产生机械能的目的而燃烧时可能是有利的。在这一公知的方法中所采用的转化燃料的燃烧也仅仅是为了利用付产品的目的。同时，基本上肯定的是，在燃烧时，只还有一部分在转化的燃料中原本含有的可燃组份参加作用，这是因为氢组份在以前已被分离出去，但其在绝对热值中占绝对大的比重。由于这个原因，所产生的可用机械能以及电能与投入的原始燃料含有的化学能量之纯粹的计算比在这个方法中小于10%，这是相当小的。
在同类型的EP0318122A2中也公开了一种利用气态的燃料产生机械能的方法和设备，其中，只利用一个涡轮提供的机械能用于产生电流。这个涡轮特别被规定在50～3000KW（千瓦）的功率范围内，同时，就其投入的热力能而言（较低的热值），可达的功率大约为42%。此处还规定，燃烧用空气首先在一个压缩机里加压，然后这被压缩加压的燃烧空气在一个废气热交换器中被加热，进而通过第一燃气涡轮部分膨胀作功，该涡轮只驱动压缩机，接着输入到一个燃烧室中，其中该燃烧用空气与燃料一起燃烧。在燃烧时产生的高温燃气驱动一个第二燃气涡轮，它提供真正的可用机械能。这从第二涡轮排出的却很热的废气被用作废气热交换器的热源以加热压缩过的燃烧空气。
本发明的任务在于，将上述类型的方法和设备作进一步改进，使在碳氢化合物（C-H）基的燃烧中含有的能量（低热值）转化成机械能的效率在小设备（50～3000KW）时超过50%，而在较大的设备时至少可达55%，以后在谈及效率时总是“机械的”效率，也就是说，由涡轮产生的可用机械能与投入的原始燃料能量的比值（低热值燃料Hu）。
解决这一任务，就方法而言是通过权利要求1特征部分的技术方案。这个方法的优选扩展方案是从属权利要求2至13特征部分的技术内容。一个实施该方法的本发明设备具有权利要求14的特征内容，并且通过从属权利要求15至21特征部分的技术内容可作为优选方案的结构设置。
可以看出，本发明的一个基本的工序步骤是，在EP0318122A2公开的设备原理图中增加了一个反应器用于吸热化学反应，其中，所使用的燃料（原始燃料）被转化成一个高价值的燃料，最后该燃料与由压缩机压缩加压的空气进行燃烧。
同时，驱动该反应器的热能最好由涡轮排出的废气热来获得，而涡轮可产生有用的机械能。但是，为了加热反应器也可以使用本生产程序中其他的热气体流。在将废气热用于反应器的情况下，这些要进一步冷却的废气还可以用于一个废气热交换器中以加热压缩过的燃烧空气。
通过对原始燃料的转化作用就可实现，涡轮废气废热（余热）或者一个另外的热流仿佛被提高到一个较高“势能的温度水平”上，这和一个热泵原理类似。为此，这些热量就技术而言可较好地比处于较低温度的热量被利用。这种温度水平的“升高”的同时，在反应器的转化反应中从原来的燃料（如天然石油气）形成的新燃料（例如氢H2和一氧化碳CO）也就处在一个提高了的绝对热值的形式。
按照本发明的方法和设备就可实现，将本运行过程中产生的废热有计划地掌握住，然后以有效的方式加以利用。同时，其特殊的优点是，为产生较高值的燃料而设置的吸热反应是在相对较低的温度下进行的，这个反应可以特别设置成例如对天然石油气的蒸汽改良过程。一般说来，这种蒸汽改良工作在巨大的技术规模时仅在780～900℃的温度范围内实施。按照本发明的要求，不要超过的温度上限应该为780℃，或者较好为700℃甚至为650℃。
采用较低的温度就必然导致对最初燃料的转化率变差，也就是没有转化的燃料数额增加，这一缺点，则通过在反应器加热过程中和降低吸热反应就必需的新鲜蒸汽温度情况下，较好地利用燃气涡轮的废气热或本生产过程中另一个热流的热能而得到更多的补偿。这种降低的温度（水平）还带给本发明设备价格使宜的优点，因为，有关的热力结构所使用的材料成本要明显低于迄今为止的现有技术。
还有具有特别意义的事实是，在燃料燃烧时例如喷入水或水蒸汽到设备的燃烧室或数个室中就可以产生如此影响，氮氧化物就会不存在或者只有微小量。同时，火焰温度的数值最大为1700℃（绝热下的火焰温度），而进入燃气涡轮的入口温度最高限制在1250℃，这样，就能使本发明方法的运行对环境异常的清洁，而不需要任何耗费成本的附加设备。所有这些都是可能的，因为本发明组合了燃料的转化工序又将燃料燃烧时释放的热量用来产生机械能。由此，就能够有效地利用热废气流达到如此程度，即可以达到至今认为还不能实现的效率。典型的值在50～70%的范围内。其中，较小的设备处于较低值区，而较大的设备位于上边（较高）的值区。本发明设备，特别适合于偏离市中心的供电生产，也就是可以离用户很近，进而带来的附加优点是，可以避免通过远距离的能量输送和/或由于电流的变换所造成的损失。这一损失按经验估计对于大热电厂可达所产生电能的大约10%。
本发明具有两个主要的特别优选的变型方案。在一个主要变型中，如今已描述过的，被加压的燃烧用空气在进入燃烧室之前在一个废气热交换器中被加热，同时，该交换器是由提供可用机械能的燃气涡轮废气来供热的。这个废气热交换器最好设置成回流换热器。
在这种回流换热器中单位时间里交换的热量越多，那么这种热交换装置的结构体积就明显增加。在本发明类型的较大设备情况下（功率范围大约50～80MW），该换热器与另外的设备部件相比较就显得特别大，相应地耗费成本。为此，建议在大设备情况下，采用本发明第二主要变型方案可完全放弃回流交换器。
在第二主变型中，燃气涡轮的废气用于蒸气产生（必要时在加热用于燃料转化的反应器以后）。该蒸汽则被一股本程序中存在的热气流再加热。然后在一个蒸汽涡机上膨胀以产生附加的机械能，这在所说的“联合循环”发电厂已公知。该生产程序的效率在这种大设备时虽然稍小一些，指的是和按照第一主变型方案能够实施的设备相比，但是设备的耗费却明显少多了。
下面借助附图中描绘的设备简图详细说明本发明。它表明：
图1  带热交换器的设备
图2  带蒸汽涡轮的设备
在图1描绘的本发明实施方案中，通过管道9，由一个压缩机单元3的压缩机3a，（单元3还具有另一个压缩机3b）将燃烧用空气吸进。而被压缩的燃烧空气则通过冷却器4作中间冷却，然后在第二压缩机中被压至更高的压力值。两个压缩机3a，3b，是通过轴24与一个压缩机驱动一燃气涡轮单元工作机械式连接。通过管道10这由第二压缩机3b经过压缩的燃烧用空气被导进一个设置成换热器的废气热交换器8，在那里经过间接热交换而实现被加热以后就通过一个管道11输入到一个第一燃烧室5中。
通过燃料管道20则一部分燃料就到达该燃烧室5，而该燃料是在一个反应器7中通过一种吸热反应从一种原始燃料中产生的，并在燃烧室5燃烧。由此生成的热燃气混合气，其除了燃烧产物以外还含有多余的燃烧用空气，就通过热燃气管道12被送至压缩机驱动一燃气涡轮单元2，在燃气涡轮处通过部分膨胀作用以提供给压缩机单元3必需的驱动能量，为此，也要稍稍被冷却。（指燃气温度）。但是这仍然是很热的燃气混合气则通过管道13到达一个第二燃烧室6，在这里通过燃料管道20的一个分支管道同样输入有燃料，并与多余的燃烧空气相燃烧以致于废气又被一块被加热至一个更高的温度。
这通过燃烧而形成的热废气就通过一个热燃气管道14输送到一个燃气涡轮1处，它可产生有用的机械能。在那里通过膨胀作功以后就经过管道15排出。这压缩机驱动一燃气涡轮单元2和燃气涡轮1可以安置在一根公共轴上，甚至按照环境要求为简化总体设备而可以设置成一个单独的涡轮设备。另外可能的是，在多级压缩机的情况下，其中压缩机还可部分让涡轮1来驱动。这样，就可能使压缩机和涡轮彼此实现一个理想的工作协调。
通过喷入例如水或水蒸汽到燃烧室5，6中，可使绝热下的火焰温度限制在1700℃以下，而燃气涡轮的进口温度限定在大约1250℃，在某些情况下甚至还可以更低的值直至800℃，在这种情况下，就不会产生值得注意的氮氧化物量。与此相关，本发明的一个很大优点是生成的氮氧化物总能得到明显地减少，因为不用原始燃料，这在吸热反应中转化生成的燃料相当程度是以较高的绝对热值燃烧的。同时，还可立即得到一个这样的绝热下火焰温度（按照空气过量），它比在燃烧原始燃料时产生的绝热下火焰温度要低300～550℃。
还有的可能方案是，将输入的燃料仅在第一个燃烧室5中进行燃烧。这样，燃烧室6就可省去。在应用两个燃烧室的情况下，还可以将实现降低火焰温度的措施仅限定在第二燃烧室6上，因为这在第一燃烧室中生成的氮氧化物可以通过随后的第二次燃烧的加热作用而进一步分解。这就意味着，在第一次燃烧时具有高的排出温度，因此对于压缩机驱动一燃气涡轮可以在有利的条件下工作以提供尽可能高的涡轮效率，而且最终不会导致较高的（NOX）氮氧化物含量。这种可控的温度调节首先对于第二级燃烧是具有特别意义的。这在涡轮1中膨胀而产生的机械能可以被传动轴26利用，例如可以作为一个发电机G的驱动力来使用以产生电流。但是总还有很热的废气通过排气管道15到达间接加热的反应器7的加热区以为吸热反应所利用。
通过这种吸热反应，这例如可以通过蒸汽改造就可以从具有一定绝对热值的原始燃料产生一种新的具有较高绝对热值的新燃料。对于石油气进行蒸汽改造的情况，这石油气例如可以通过燃料管道18输入，而一条蒸汽输送管19通至反应器7的反应腔。
原则上，按照要求应将蒸汽与燃料事先混合。这种产生的新燃料，其由H2，CO，CO2的一种混合物但未转换成CH4和水蒸汽组成，则通过反应腔的输送管20往燃烧室5和6输送并在那里如前所述燃烧。理所当然还有的可能是，为了使在燃烧室5和6中的燃烧过程（温度，质量流）最佳化，将一定份额的原始燃料掺混到具有高值的燃料中去，然后才燃烧。同时，人们按照目的要求使用一种混合物，其具有一定数额的转化燃料。该数额至少为50%，最好甚至可大于80%。转化燃料的含量越少，则效率的影响倾向就越明显。这个原则就是，已燃烧的燃料总共具有一个较高的热值，即比原始燃料处于任何情况下所含的热值要高。理所当然，一部分较高值的燃料还可以从本方法中分配输出，并在其他工序中应用。
在提及的天然气蒸汽改造情况下（基本上是CH4），该燃料的绝对热值大约可提高30%。在对原始燃料甲苯（ToLuol）进行氢化作用时，热值可以提高约15%。在不用蒸汽改造时，也可以将吸热反应设置成例如脱氢反应。这一反应在（Ethan）乙烷作为原始燃料时大约可提高热值10～20%，而在甲烷，沼气（Methanol）甚至可随之提高约20～30%。一个另外的用于吸热反应的实施例是对任何碳氢化合物的蒸汽-裂化反应（例如沼气Biogas，液化石油气LpG，石脑油Naphtha，煤油Kerosin，等等）。
刚才最后所提及的可能方案是很有利的，因为它能使许多不同的燃料转换着使用以产生机械能，同时不必要在从一种燃料变化到新的燃料时总要调节燃气涡能。
对于吸热反应尽可能地在低于780℃的温度内或者更好还要低于700℃下进行。这用于加热的废气通过管道16离开反应器7的加热区此时仍总具有相当高的温度，为此本发明例如将其用于废气热交换器8的加热源，通过交换器8使压缩（加压）的燃烧用空气加热。最后通过废气管道17这被冷却的废气从废气热交换器8排出。
在吸热反应必需加入蒸汽的情况下，本发明方法，当生产过程中用在单独的加热容积流存在热量可以产生这种蒸汽时，就可以作为闭合系统运转。为实现本方法仍有一个较高的总效率，至少可以一部分必要的新鲜蒸汽从任何一个外部的蒸汽源输入到反应器7中。在本设备简图中，以虚线方式在可以考虑的位置上标出了蒸汽发生器21，22，23。它们可以有选择地或者也可以同时运行。该蒸汽发生器21是安置在设备的末端的废气管道17中的，为此只可以产生具有相对较低温度的蒸汽。在这一位置，还可以安置一个热交换器用于原始燃料（或对一种燃料/蒸汽混合物）的预先加热，或者用于生产蒸汽贮存水的预热。
一个另外的安置蒸汽发生器22的可能位置是图中指示的在废气热交换器8和反应器7之间的废气管道16中的位置。
一个优选的方案安排是蒸汽发生器23的位置在压缩机驱动一燃气涡轮单元2和第二燃烧室6之间，因为这种安排对于降低燃烧室6中的燃烧温度是有积极作用的。当多个蒸汽发生器21至23同时设置时，这些发生器可以如此依次接通运转，即在一个例如21中，产生的蒸汽具有相对较低的温度，则在另一个（例如22和/或23）中蒸汽被加热至一个较高的温度。原则上，也可以将冷却器4中对压缩的燃烧用空气进行一种中间冷却时产生的废热随之用于产生蒸汽。
在图1的设备简图中，反应器7连接在燃气涡轮1的废气管道15，16中。但是也可以，将反应器的加热工作用一个本方法中前面的热燃气流来完成。为此，反应器7还可以原则上连接在管道11，12，13或14中。通过加热燃气流的一种温度降低作用，虽然燃气涡轮1和2的涡轮效率减少了，但是氮氧化物（NOx）的生成也同时减少了。为此，本方法参数也必须彼此协调以达到一个尽可能最佳的功能。
为了能够从冷的状态启动本设备，此时，既没有一股热燃气为之服务也没有足够的已转化的燃料为之利用，那么就可以有选择地或者同时规定，在燃烧室5中和在反应器7的加热区内至少可以暂时的输入原始的燃料（例如天然石油气），并在那里可以燃烧。这相应的（未标出）独立的燃料输送管道还可短期的接入，因为此时，该设备中投入使用的加热管道在过渡期是不够用的。这样，设备的总体运转是明显地简单可调节的。为了改善调节性能和使总体系统最佳化还可以附加设置，将驱动压缩机的燃气涡轮1所产生的能量之一部分作为有用的机械能向外输出。
在图2中简图方式描绘了本发明方法的第二个主要变型方案。同时，功能相同的设备部件大部分使用和图1相同的标号。这在图1中所述的实施情况也相应地适用此处，为此，下面只需将存在的不同点作详细说明。
可以看出与图1的基本区别在于，作为废气回流换热器而设置的用于燃料预热的废气热交换器8由一个产生过热蒸汽的系统，该蒸汽用于一个产生机械能的蒸汽涡轮31。这个蒸汽产生系统由一个蒸汽锅炉30和一个蒸汽过热器29组成。
蒸汽锅炉30是由从燃气涡轮1排出的废气加热的，具体路径是，燃气先通过反应器7的加热腔，同时进一步放热，再加热锅炉30。由此产生的蒸汽通过管道37到达过热器29，并从那里经过管道38到达蒸汽涡轮31的进口侧。而经过膨胀的蒸汽从蒸汽涡轮引导入冷凝器32，然后冷凝水泵33将冷凝水送到除气装置34中。
从除气装置34经净化的锅炉水借助锅炉供水泵35并通过一个管道到达蒸汽锅炉30。这样，该蒸汽/水系统很大程度上成为一个闭合循环系统。而发生的水量损失则由一个未描绘的水补给装置来补偿。
这种水的损失，特别在这种情况下发生，即为图2虚线管36所描绘的那样，在蒸汽涡轮31的高压部件后边，蒸汽被分流，送至燃烧室5和6用于温度调节和增加质量流。同样，作为选择方案所示的管道19也可以按同样的方式将蒸汽从该循环系统分流接出，送到反应器7的反应腔。但是，这股蒸汽也可以如图1所示在设备的其它地方产生或者从外部输入。这种为补充蒸汽/水循环运行所必需的水也可以从废气管道17回收获得冷凝水。
为了完整起见，还需提及的是将压缩的燃烧空气送至第一燃烧室5的管道在图2中是标号为27，而从蒸汽过热器29至第二燃烧室6的热燃气管道是标以28。
反应器7也可以安置在热燃气管道的其它地方，这一点原则上适用于图2所示的方法改型的方案。一个优选的方案是，反应器7和蒸汽过热器29的位置相互调换。
本发明的另一个实施结构，在图1和2中未做描绘，它涉及到在燃气涡轮1上膨胀以后的热废气利用问题，也就是说，这些废气一般还含有可观的O2含量，因为燃烧是在过量氧气（O2）下进行的。因此，它可以例如被用作阴极气体为一种燃料电池系统提供氧气（O2），从而产生电流。
在这种类型的燃料电池系统中，可取之处在于，该阴极气体大致是以和燃料电池的工作温度相一致的温度输送的。根据燃料电池系统的型式，该工作温度可处于不同的值上。与此相对应，该燃料电池系统要连接到废气管道15，16，17的适当位置上，即，膨胀做功的废气在加热另外的必要介质流时（在本发明方法中：空气预热、产生蒸汽、加热、冷却，并达到与所希望的工作温度相一致的水平上，然后，该废气流或者一部分废气流被送至燃料电池系统的阴极腔。将燃料送至燃料电池系统的供料工作可以通过一个普通的H2气体源来完成（例如：输气管或气体贮存器），当然也可以将一部分在反应器7中产生的过量H2的气体流输入到燃料电池的阳极腔中。
本发明方法的作用效果将在下面借助一个实施例详述，同时以一个与图1相一致的设备原理图作为基础。该热交换器21用来产生水蒸汽和预热石油天然气，同时热交换器22用于对水蒸汽/石油气混合物进行加热，然后这一混合物将输入到蒸汽改造装置7中。该作为原始燃料使用的天然石油气其管道压力为20巴，而投入作用的水温度大致为15℃。蒸汽/碳比例（mol/mol）计为2.0。另外，方法参数是按下列数据选定的。为清楚起见，相应部件的编号与图1相同。
低压压缩机（3a）进口温度  15℃
出口温度  180℃
出口压力  4.5巴
高压压缩机（3b）进口温度  25℃
出口温度  203℃
出口压力  20巴
回收换热器（8）
燃烧空气的温升  357℃
废气的温降  327℃
燃烧室（5）
燃烧后的温升  690℃
压缩机驱动-涡轮2的进口温度  1250℃
涡轮的压力比  2.8
出口温度  970℃
燃烧室（b）
燃烧后的温升  280℃
燃气涡轮（1）
进口温度  1250℃
燃气涡轮的压力比  6.4
出口温度  760℃
产生电流的发电机（G）
功率  3200Kwe
蒸汽改造装置（7）
过热燃料/蒸汽混合物的进口温度  550℃
废气的出口温度  647℃
气体产物的出口温度  720℃
燃料/蒸汽过热器（22）的进口温度249℃
燃料/蒸汽混合物
废气的出口温度  610℃
燃料预热/蒸汽产生器（21）
废气的出口温度  227℃
在对基本上由甲烷组成的天然石油气进行蒸汽改造的情况下，大约有数额的百分之十二没有转化，而在燃烧室5和6中以原始的结构成分燃烧。除了用于压缩石油天然气的能量以外，该石油气已经用一个具有足够的管道压力提供。整个所用方法的能量需求可以在过程本身中得到满足。因此，也就不需要从外部进一步有能量输入。这样所实现的总效率，即所发出的电能与投入的能量（低级热值基）的燃料之比可达到65%，这将达到迄今从未实现的较大的数值上。同时，最特出的是排到环境中的废气仅含有很低的氮氧化物含量，为此也不需要附加的去氧措施。
可见，本发明的特出优点是，不仅用碳氢化合物基的燃料产生机械能，实现效率的突跃提高，而且与此相关的还可以同时使排出的废气中有害物含量得以减少。由此带来，在采用具有特殊性能的本发明设备用于偏离中心的电能产生时，就可以避免使用传统的巨大电厂，由于远距离的电能输送和电流转化工序而造成的各种损失。

Claims (20)

1、将碳氢(C-H)化合物基的原始燃料中化学能连续转换成可用机械能的方法，其中：
-燃烧用空气被压缩；
-用来压缩燃烧空气的驱动能量是通过一个压缩机驱动一燃气涡轮单元获得的，通过该涡轮，至少被加压的燃烧空气的体积流部分膨胀作功；
-该通过燃料和压缩的燃烧空气时燃烧生成的高温燃气在一个燃气涡轮上膨胀作功，借助它至少可产生一部分可用机械能；
-从该燃气涡轮机排出的废气余热被用于加热在本产生过程中的一种所用介质流；
其特征在于：
-该原始燃料通过一个吸热的反应转化成一种具有较高的绝对热值的转化燃料；
-通过投入转化的燃料再附加或者不附加原始燃料进行燃料，同时，在转化时转化燃料中生成的单独可燃的组分总是完全适量地或者至少占优势地包含在待燃的转化燃料中；
以及，对用于吸热反应的反应腔的加热可以通过压缩后的燃烧用空气来完成，而燃烧空气在此以前已经通过燃烧后排出的热燃气的间接热交换被加热到一个较高的温度，或者反应腔的加热也可通过燃烧产生的热燃气本身在其膨胀作功之前或者之后来实现。
2、按权利要求1的方法，其特征在于：
从燃烧来的热燃气首先通过燃气涡轮膨胀作功，然后用来加热反应腔以便进行吸热反应。
3、按权利要求1或2的方法，其特征在于：
在燃气涡轮中膨胀降压的热废气的余热被用来加热已压缩的燃烧用空气。
4、按权利要求1至3的方法其特征在于：
燃烧是在第二级燃烧室中进行的，同时，在第一级中产生的和具有一个高过量，空气的热排气流在压缩机驱动一燃气涡轮单元部分膨胀降压，而后与另外的燃料一起输入到第二级燃烧。
5、按权利要求1和3或1和4的方法，其特征在于：
在压缩机驱动一燃气涡轮单元中部分膨胀降压的热排气流被用来加热吸热反应的反应腔。
6、按权利要求1和3或1和4的方法，其特征在于：
热燃气在其通过压缩机驱动一燃气涡轮部分膨胀降压以后但在其通过燃气涡轮膨胀（完全）降压之前被用于加热吸热反应的反应腔。
7、按权利要求1至6之一的方法，其特征在于：
为减少氮氧化物的产生将某一介质输入到某燃烧级或数级的组合工作是如此调节的，即，火焰温度要低于1700℃（绝热下的火焰温度）而燃气涡轮的入口温度低于1250℃。
8、按权利要求7的方法，其特征在于：
出口温度的调节是通过喷入水或蒸汽到燃烧室中完成的。
9、按权利要求1，2或4至8之一的方法，其特征在于：
在燃气涡轮上膨胀降压的热废气余热用于产生蒸汽，该蒸汽利用此前处于较高温度的热排气流进行过热，以便用来推动同样产生可用机械能的蒸汽涡轮。
10、按权利要求4和8的方法，其特征在于：
将产生的蒸汽进行过加热是在热排气流进入第二级燃烧之前进行的，而加热吸热反应的反应腔是用从燃气涡轮排出的热排气流完成的，然后，这排气流用于产生蒸汽。
11、按权利要求1至10之一的方法，其特征在于：
该吸热反应是在碳氢（C-H）化合物的蒸汽改良时进行的，特别情况是在天然石油气或甲烷（CH4）转换成合成气（CO和H2）时发生的。
12、按权利要求1至11之一的方法，其特征在于：
吸热反应的工作温度要低于780℃，最好低于700℃特别情况低于650℃。
13、按权利要求9至12之一的方法，其特征在于：
将一部分还没有完全膨胀降压的蒸汽从蒸汽涡轮中引出，而后输入到蒸汽改良工序中。
14、实施权利要求1方法的设备，它除了一个燃气涡轮（1）用以产生可用机械能以外，至少还包括下面的组件：
-一个至少由一个压缩机（3a，3b）组成的压缩机单元用于压缩燃烧用空气;
-一个与压缩机单元（3）传动连接的压缩机驱动一燃汽涡轮单元（2），它的燃气进口侧通过管道（10，11，12，27）与压缩机单元（3）的气体出口侧连接;
-至少一个第一燃烧室（5），连入它的有用于燃烧空气管道（11及27）和一个燃料输入管（20）;
-一条热燃气管道（12，13，14，28）从第一燃烧室（5）连至燃气涡轮（1）的燃气进口侧，和
-一条排气管道（15，16）从燃气涡轮（1）的燃气排出侧连至一个为了利用废气余热的热交换装置（8及30）：
其特征在于：
-第一燃烧室（5）安置在压缩机驱动一燃气涡轮单元（2）之前;
-设置一个用于吸热化学反应的反应器（7），其中，从由燃料输送管道（18）输入的原始燃料中产生一种具有较高绝对热值的转化燃料，同时，反应器（7）将其加热部分连至输送一种热介质的管道（11，12，13，14，15）之一上，和：
-用于转化燃料时输送管道（20）可直接从反应器（7）通至第一燃烧室（5）。
15、按权利要求14的设备其特征在于：
反应器（7）被设置成蒸汽改造装置。
16、按权利要求14或15的设备，其特征在于：
在压缩机驱动一燃气涡轮单元（2）和燃气涡轮（1）之间的热燃气管道（13，14）中接入一个第二燃烧室（6），这第二燃烧室（6）同样通过一个输送转化燃料的管道（20）与反应器（7）相连接。
17、按权利要求14或15的设备，其特征在于：
压缩机驱动一燃气涡轮单元（2）和燃气涡轮（1）安装在一个公共轴上。
18、按权利要求14至17之一的设备，其特征在于：
反应器（7）用其加热的部分连至从燃气涡轮（1）排出的废气管道（15）上，而利用废气余热的热交换装置，它接入从反应器（7）排出的废气管道（16）中，并设置成废气热交换器（8），它的接收热的一侧连到从压缩机（3）至第一燃烧室（5）的输送管道（10，11）上以用于（加热）压缩过的燃烧空气。
19、按权利要求14至17的之一的设备，其特征在于：
在废气管道（15，16）中的利用废气余热的热交换装置是蒸汽锅炉（30），从锅炉（30）引出一条蒸汽管道（37）连至蒸汽过热器（29），该过热器（29）将其加热部分接入输送热排气的管道（13，15）间，还有一蒸汽涡轮（31），它的蒸汽入口是通过蒸汽管道（38）与蒸汽过热器（29）相连接的。
20、按权利要求15至19之一的设备，其特征在于：
设置一个蒸汽系统，其中，在一个或多个蒸汽发生器（21，22，23）产生的蒸汽，特别是在与原始燃料混合后可以导入蒸汽改良设备的反应腔中。
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