CN1090710C - 以炭黑尾气为燃料的往复式发动机 - Google Patents

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Abstract

一种用来自炭黑生产流程的尾气作为往复式发动机燃料的系统和方法。对尾气进行脱水，然后与空气混合以形成燃气。该燃气增压后，在往复式发动机中点燃而产生有用功。

Description

以炭黑尾气为燃料的往复式发动机
本发明涉及一种生产炭黑时产生的工艺尾气(低比热值气体)作为往复式发动机燃料的用途。
往复式内燃发动机许多年来一直用作发电的主要原动力，或者直接供应工业动力的需要。在这些应用场合里，这种发动机的燃料一般为天然气、柴油燃料或其他传统燃料。有时也用其他生产过程中产生的作为副产品的可燃工艺气体作为燃料。但这种工艺尾气的比热值通常高于每标准立方英尺的气体(scf)150英国热量单位(Btu)。
生产炭黑时作为副产品产生的尾气包括下列成分：
氢气                     6.5％-12％
一氧化碳                 6.5％-12％
氮                       30％-62％
水                       30％-45％
乙炔及高级碳水化合物     小于1％
当乙炔及高级碳水化合物占尾气体积小于1％时，其产生的热值占尾气热值的10％。
氢气和一氧化碳的相对数量随所用的原料和生产的炭黑等级而变化，但当尾气脱离工序流程时所产生的热值在50-60Btu/scf的范围内。
从历史上看，火花点燃的往复式发动机所用的气体燃料的空气-燃料比稍低于化学计量比，并设计成用天然气作基本燃料。天然气一般具有约900Btu/scf的净热值。当使用比热值非常低的燃料时，发动机就不能达到额定的工作能力。
近来，为了减少一氧化二氮的排放，工业往复式发动机设计成使用更清洁的燃料混合物。前提是通过增加流过气缸的没有燃烧的质量流量，抑制峰值燃烧温度，从而抑制一氧化二氮的形成。
业已发现，从炭黑生产流程中出来的尾气本身能经过处理而用作工业往复式发动机的燃料。
从广义上讲，本发明实现了用于往复式发动机燃气的形成和使用。这种燃气包括接近化学计量比的混有燃烧空气的低比热值气体混合物。能实现适用于现代往复式发动机设计的质量流，具有意想不到的足够含能值供应几乎满额定的发动机工作能力。原来具有约50-55Btu/scf的热值的低比热值气体是往复式发动机燃气的主要成分。如果必要，可处理低比热值气体，以去掉水蒸气，从而得到热值约为90-110Btu/scf的处理后气体。处理后气体与燃烧空气混合后形成往复式发动机使用的燃气。低比热值气体最好含有一定百分比范围内的氢气和一氧化碳。
在一优选实施方案中，用炭黑尾气作为低比热值气体。这种尾气含有高达45％的水蒸气，当水蒸气减少到5％时，比热值能增加到90-110Btu/scf范围内。因为在各种炭黑等级中尾气成分的不同主要是由于水含量的不同引起的，所以，脱水后尾气的热值相对恒定。尾气中提供热值的基本成分是氢气和一氧化碳。就每一种气体来说，都是往复式发动机较差的备选气体，氢气燃烧得太快，而一氧化碳燃烧得太慢。本发明的燃气比单独的一氧化碳更易于点火和燃烧，且不会表现出氢气快速燃烧并使压力迅速升高的趋势(类似于爆炸)。
在本发明的一个特别优选的实施方案中，从炭黑生产流程中出来的尾气进行干燥或脱水，使其热值从50-65Btu/scf增加到90-110Btu/scf。这种干燥气体与燃烧空气混合形成了燃气。燃气经涡轮增压后冷却，接着被引入发动机进气管，然后点火。发动机出来的燃烧气体用来驱动涡轮增压机。
图1是采用本发明的火花点火系统的工艺流程图；
图2是本发明的压缩点火系统的工艺流程图；
图3a，3b，3c和3d是尾气冷却/冷凝设计的另外几种实施方案；
图4a和4b是中间冷却/发动机冷却设计的另外几种实施例的工艺流程图；
图5是一种增压控制的实施方案的工艺流程图；
图6是气流涡轮增压和混合的另外一种实施方案的工艺流程图；
图7是燃气增压的一种实施方案的工艺流程图。
参见图1，其中示出了本发明优选实施方案的工艺流程图。
炭黑尾气经一套组合阀12a和12c(能提供充分的隔离，以对任何的下游系统进行维修)从主尾气母管(未示出)流入风冷式冷却器/冷凝器10，并用附游系统进行维修)从主尾气母管(未示出)流入风冷式冷却器/冷凝器10，并用附加组合阀12b引向排气口14。尾气组合物一般是各为6.5-12％的氢气和一氧化碳、5％水蒸气、微量的乙炔和高级的碳水化合物，其余的为氮气。
尾气进入到冷却器/冷凝器10时，温度约为450°F，含有35-45％的水蒸气，净热值在50-65Btu/scf的范围内。
从冷却器/冷凝器10出来的处理后尾气大约为110-110°F，水分含量为5-10％，净热值为90-110Btu/scf。在流程中此处的相对湿度为100％。从冷却器/冷凝器中的尾气去掉的冷凝液循环至炭黑生产流程。
处理后尾气流进混合阀16，按照处理后尾气/空气比约为1比1的比例与空气混合，形成往复式发动机30中燃烧用的燃气。可以稍稍地改变处理后尾气/空气比来改变尾气热值。混合阀16由用总标号18指示的传感器控制，以保证气体/空气的适当混合。另外，混合阀设计成在混合时压损最小，并能承受与饱和的尾气相关的腐蚀性环境。
燃气以约为大气压力(流量约为6500立方英寸每分钟(scfm))流经流量控制阀20(控制速度和/或载荷)，供给3mw的发动机组。燃气的压力由涡轮增压器22从1bar增压到大约25bar。从涡轮增压器22出来的燃气流经中间冷却器24(有时称为二次冷却器)，并以120-200°F的温度排出。这个温度应该调整到使发动机效率最大而能防止出现震动(knock)。
随后，燃气流经火焰消除器26，并流入发动机30的进气管28，在其中点火驱动发动机。燃烧后，废气体从发动机30流入涡轮增压器22。
除了尾气/空气流在16指示地方的混合，还使用了发动机控制以加强使用燃气的发动机的性能。涡轮增压器增压控制器32控制发动机燃烧气体从发动机30到涡轮增压器22入口的循环。更高的增压能使每单位发动机容积有更高的质量流，因此有更高的能量输出，但所形成的高温也更容易产生爆炸(震动)。不过，增设的中间冷却器降低了这个温度，从而减小了震动的可能性。温度控制器34控制冷却。按需要能使用可选用辅助燃料供给器36，供给空气、天然气、丙烷或类似的LPG燃料。
                     实施例
在使用Ricardo单缸火花点燃试验发动机所作的测试中，合成的尾气燃料包括15％的氢气、17％的一氧化碳和68％的氮气，原始结果表明通过压力充入燃料/空气混合物发动机能达到满额定能力。这些原始结果也证明了合成尾气(可推知，实际中脱水的炭黑产品尾气)是一种易于处理的燃料，其没有主要组成物的产品一般都有的问题。在测试中，既没有遇到由于氢气反应速度快所带来的问题，也没有遇到一般与一氧化碳有关的燃烧时间长的问题。看起来，氢气有助于使一氧化碳更易于燃烧，而一氧化碳起到了抑制氢气快速反应的作用。
图2示出了本发明用于压缩点火的另一实施方案，与图1相同的零件用相同的标号。其整个的工作情况与图1所描述的近似。在该实施方案中，燃气供应到发动机进气管28，在进气管处以与火花点燃实施方案相同的方式被引进气缸，然后由按着与在纯压燃式发动机中相同的方式喷进的少量引燃燃料(pilot fuel)点燃。柴油燃料(辅助燃料供应)从油源40经喷嘴42喷入燃烧室。也可使用如重油燃料或其它常规柴油发动机燃料等其他辅助燃料。用作引燃燃料的柴油的量远小于低热值燃料，占供给发动机的全部燃料的1％-10％。此外，该系统单使用柴油燃料也能工作。这时，通过改变喷入燃烧室的液体引燃柴油燃料的量来控制发动机转速和负载。(无图1中阀20等流量控制阀。)压缩发动机的优点是这种发动机一般比火花点燃式发动机做得大，即能达到20兆瓦的功率。火花点燃式发动机由于在实际当中经火花系统供给的点燃能量的大小有限，而被限制到5到10兆瓦。
可以改变图1和图2中所示的冷却/冷凝、中间冷却和增压控制等步骤。
参见图3a，一个尾气冷却/冷凝的实施方案采用组合的直接接触的冷却塔50。组合塔50的冷却水主要由蒸发冷却塔52冷却。因为尾气中一部分气体会溶解在冷却水里，所以在组合塔冷却水50和组合塔52之间使用了热交换器54。如果冷却水由蒸发冷却塔直接冷却，气体就会不经处理放经大气。
参见图3b，另一个尾气冷却/冷凝的实施例与图3a所示的相似，不同之处在于，它采用了间接蒸发冷却器56来冷却组合塔冷却水。间接冷却器56不会使冷却水中的任何气体释放到大气中。另外，不使用中间的热交换器能使冷却水的温度接近大气湿球温度。
图3c所示为又一个尾气冷却/冷凝的实施方案，其中，尾气在间接蒸发冷却塔58的热交换管56中直接冷却/冷凝。该实施方案的优点是处理后尾气的可能温度低于图3a或图3b中的情况；其缺点是损失了组合塔的洗涤作用，这种情况削弱了对尾气的冷凝。因为尾气冷凝更集中的条件，材料的选择更重要，成本也更高。
参见图3d，再一个尾气冷却/冷凝的实施方案是冷却/冷凝尾气的组合塔60。热量最终散入作为吸热装置的外蓄水池。采用间接热交换系统的目的是防止吸收在组合塔冷却水中的气体释放到大气中。
如图4a和图4d所示，在本发明的另外的实施方案中，两个冷却单元64和66使用外蓄水池作为吸热装置。在这两种情形下，采用了传统的冷却系统，通过控制冷却水到热交换器的流动来控制燃气的涡轮增压后温度和发动机冷却水。
图1中，通过控制再循环来控制发动机尾气对涡轮的增压。
图5也是本发明的一个实施方案，通过控制发动机尾气流入涡轮增压器32的涡轮部66的流量，从而控制增压。压缩作功不需要的尾气经尾气管路70从旁路排入大气。
在图1和图2所示的点火式或压燃式实施方案中，示出压缩尾气/空气混合物的流程是首先混合尾气和空气，然后在一个涡轮增压器中压缩。参见图6所示的本发明的另一个实施方案，在中间冷却和混合的步骤前，尾气和燃烧空气分别在涡轮增压器72和73中进行压缩(混合和中间冷却的顺序并不重要)。涡轮增压前进行混合有利于更好地混合尾气/空气混合物；涡轮增压后进行混合有利于使含有可燃气体混合物的管流更短。
上面在本发明优选实施方案中参照涡轮增压器描述了将燃气压力充入发动机。也可以通过增压器使吸入空气增压。如图7所示，发动机28的驱动轴用于驱动压缩机80，给燃气增压。增压后的燃气经中间冷却器24、火焰消除器26进入发动机28。
虽然上面的描述限于本发明的一些具体的实施例，但是应该清楚利于本发明的部分或全部的优点能对本发明作出各种变型和修改。所以，所附权利要求书的目的在于覆盖落入本发明真正构思和范围内的全部变型和修改。

Claims (33)

1.一种制造燃气及该燃气在往复式发动机中应用的方法，包括：
从含有一氧化碳、氢气和惰性气体的低比热值气体中去除水蒸汽，以增加其热值，从而制成处理后气体；
将所述处理后气体与燃烧空气混合起来，以制成燃气；
压力充入所述燃气；
使所述增压后的燃气流入发动机，并点火；
从往复式发动机产生有用功。
2.如权利要求1的方法，其中，压力充入所述燃气的步骤包括：
用压缩机对所述燃气进行增压；和
用往复式发动机驱动压缩机。
3.如权利要求1的方法，其中，压力充入所述燃气的步骤包括：
用涡轮增压器对所述燃气进行涡轮增压；和
用发动机废气驱动涡轮增压器。
4.如权利要求2或3的方法，包括在燃气流入发动机前流经中间冷却器。
5.如权利要求4的方法，包括燃气通过流经中间冷却器而被冷却。
6.如权利要求4的方法，包括用辅助燃料补充所述燃气。
7.如权利要求6的方法，其中，所述辅助燃料选自天然气、丙烷或类似的液化石油气燃料和燃烧空气，所述的往复式发动机是点燃式发动机。
8.如权利要求6的方法，其中，所述辅助燃料是柴油、重燃油或其他传统的柴油发动机燃料，所述发动机为压燃式发动机。
9.如权利要求4的方法，其中，所述低比热值气体包括来源于炭黑生产流程中的尾气。
10.如权利要求9的方法，其中，所述低比热值气体的热值为50-65Btu，还包括把热值提高到90-110Btu。
11.如权利要求10的方法，其中，所述燃气中氢气和一氧化碳，它们含量均为约6.5-12％。
12.如权利要求11的方法，其中，所述处理后气体与燃烧空气按处理后气体/燃烧空气约为1比1的比例混合。
13.一种用尾气和空气制造燃气及该燃气在往复式发动机中应用的方法，其中，所述尾气来自于炭黑产生流程，具有50-65Btu的低热值，其包括：各占约6.5-12％的氢气和一氧化碳；惰性气体；水蒸气，该方法包括：
从所述尾气中去掉水蒸气，使其热值增加到90-110Btu，从而形成处理后气体；
将所述处理后气体与燃烧空气混合起来，制成燃气；
对所述燃气进行涡轮增压；
使涡轮增压后的燃气流经中间冷却器；
使流经中间冷却器的涡轮增压后的燃气流进往复式发动机的燃烧室；
点燃所述燃气，驱动往复式发动机；
用从发动机中出来的废气驱动涡轮机；
从往复式发动机产生有用功。
14.如权利要求13的方法，包括燃气通过流经中间冷却器而被冷却。
15.如权利要求13的方法，包括用辅助燃料补充所述燃气。
16.如权利要求15的方法，其中，所述辅助燃料是选自然气、丙烷或类似的液化石油气燃料和燃烧，所述的往复式发动机是点燃式发动机。
17.如权利要求15的方法，其中，所述辅助燃料是柴油、重燃油或其他传统的柴油发动机燃料，所述发动机为压燃式发动机。
18.如权利要求13的方法，其中，所述处理后气体与燃烧空气按处理后气体/燃烧空气约为1比1的比例混合。
19.一种制造燃气及该燃气在往复式发动机中应用的系统，包括：
从包括一氧化碳、氢气和惰性气体的低比热值气体中去除水蒸汽以提高其热值从而制成处理后气体的装置；
将所述处理后气体与燃烧空气混合起来制成燃气的装置；
使所述燃气流经增压器增大其质量流量的装置，所述增压器位于该装置的下游，以混合处理后气体；
在所述增压器下游，将涡轮增压后的燃气引进发动机并点燃燃气驱动发动机的装置。
20.如权利要求19的系统，其中，使所述燃气流经增压器的装置包括：
用压缩机对所述燃气进行涡轮增压的装置；和
用发动机驱动该压缩机的装置。
21.如权利要求19的系统，其中，使所述燃气流经增压器的装置包括：
用涡轮增压器对所述燃气进行涡轮增压的装置；和
用发动机废气驱动涡轮增压器的装置。
22.如权利要求20或21的系统，包括：
位于发动机上游、涡轮增压器下游的中间冷却器；和
使所述燃气与该中间冷却器进行热交换的装置。
23.如权利要求22的系统，其中，中间冷却器包括冷却所述燃气的装置。
24.如权利要求22的系统，包括用辅助燃料补充所述燃气的装置。
25.如权利要求24的系统，其中，所述辅助燃料选自天然气、丙烷或类似的液化石油气燃料和燃烧空气，所述的往复式发动机是点燃式发动机。
26.如权利要求24的系统，其中，所述辅助燃料是柴油，所述发动机为压燃式发动机。
27.如权利要求22的系统，包括从所述低比热值气体中去掉水蒸气的装置。
28.如权利要求22的系统，其中，所述燃气中氢气和一氧化碳，它们的含量均为约6.5-12％。
29.如权利要求22的系统，其中，所述低比热值气体的热值为50-65Btu，处理所述气体的装置包括把热值提高到90-110Btu的装置。
30.一种制造燃气及该燃气在往复式发动机中应用的系统，其中，所述尾气来自于炭黑产生流程，具有50-65Btu的低热值，其包括：各占约6.5-12％的氢气和一氧化碳；惰性气体；水蒸气，该系统包括：
从所述尾气中去掉水蒸气使其热值增加到90-110Btu从而形成处理后气体的装置；
将所述处理后气体与燃烧空气混合起来制成燃气的装置；
增大所述燃气流量的涡轮增压器；
使涡轮增压后的燃气流经中间冷却器的装置；
使流经中间冷却器的涡轮增压后的燃气流进往复式发动机燃烧室的装置；
点燃所述燃气驱动往复式发动机的装置；和
使发动机排出的尾气的至少一部分循环至所述涡轮增压器的装置。
31.如权利要求30的系统，包括用辅助燃料补充所述燃气的装置。
32.如权利要求30的系统，其中，所述辅助燃料选自天然气和燃烧空气，所述的往复式发动机是点燃式发动机。
33.如权利要求30的系统，其中，所述辅助燃料是柴油，所述发动机为压燃式发动机。
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