FI126249B - Combustion procedure and incinerator - Google Patents
Combustion procedure and incinerator Download PDFInfo
- Publication number
- FI126249B FI126249B FI20115447A FI20115447A FI126249B FI 126249 B FI126249 B FI 126249B FI 20115447 A FI20115447 A FI 20115447A FI 20115447 A FI20115447 A FI 20115447A FI 126249 B FI126249 B FI 126249B
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- combustion
- oxygen
- burner
- film
- combustion chamber
- Prior art date
Links
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 title claims description 111
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 34
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 67
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 66
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 55
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Substances N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 51
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 32
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 28
- -1 oxygen ions Chemical class 0.000 claims description 25
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 22
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 21
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 9
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 7
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000567 combustion gas Substances 0.000 claims 1
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 17
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 7
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 229910002076 stabilized zirconia Inorganic materials 0.000 description 3
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009841 combustion method Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910007926 ZrCl Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000012510 hollow fiber Substances 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N methane;hydrate Chemical compound C.O VUZPPFZMUPKLLV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoyttriooxy)yttrium Chemical compound O=[Y]O[Y]=O SIWVEOZUMHYXCS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23R—GENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
- F23R3/00—Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
- B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
- B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D71/00—Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
- B01D71/02—Inorganic material
- B01D71/024—Oxides
- B01D71/0271—Perovskites
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN A CARRIER GAS OR AIR
- F23C99/00—Subject-matter not provided for in other groups of this subclass
- F23C99/006—Flameless combustion stabilised within a bed of porous heat-resistant material
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
- F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
- F23L7/007—Supplying oxygen or oxygen-enriched air
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
- F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
- F23L2900/00—Special arrangements for supplying or treating air or oxidant for combustion; Injecting inert gas, water or steam into the combustion chamber
- F23L2900/07002—Injecting inert gas, other than steam or evaporated water, into the combustion chambers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
- H01M2008/1293—Fuel cells with solid oxide electrolytes
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
- Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
Description
POLTTOMENETELMÄ JA POLTINCOMBUSTION METHOD AND BURNER
Keksinnön taustaBackground of the Invention
Keksinnön alaField of the Invention
Esillä oleva keksintö koskee menetelmää polttoprosessin tehostamiseksi mahdollistamalla polton, joka toimii pienemmällä entropian generoinnilla kuin perinteinen poltto. Keksintö koskee myös poltinta, joka on muodostettu putkimaisista kalvoista ja joka soveltuu käytettäväksi mainitussa menetelmässä.The present invention relates to a method for enhancing the combustion process by enabling combustion that operates with less entropy generation than conventional combustion. The invention also relates to a burner formed of tubular films suitable for use in said method.
Tunnetun tekniikan kuvausDescription of the Prior Art
Exergiahäviöitä poltossa on tutkittu verraten vähän. Perinteiset termiset polttoprosessit ovat vakiopainepoltto (kuten kaasuturbiinilaitoksissa) ja vakiotilavuuspoltto. Jälkimmäisessä on parempi hyötysuhde, kun vakiopainepoltossa on haittana suuri entropian generointi ja vastaava exergiahäviö, joka on polttoaineesta ja ilmakertoimesta riippuen noin puolet polttoaineen lämpöarvosta. Ideaalinen poltto on ns. isentrooppinen poltto-prosessi, jossa ei lainkaan generoidu entropiaa. Sähkökemiallinen poltto eli polttokenno paremman hyötysuhteen vakiotilavuuspoltossa onkin lähimpänä esillä olevan keksinnön ajatusta.There has been relatively little research on exergy losses in combustion. Conventional thermal combustion processes are constant pressure combustion (as in gas turbine plants) and constant volume combustion. The latter has a better efficiency when constant pressure combustion has the disadvantage of high entropy generation and a corresponding exergy loss, which, depending on the fuel and air factor, is about half the fuel calorific value. The ideal incineration is the so-called. isentropic combustion process with no entropy generated at all. Thus, electrochemical combustion, or fuel cell for improved efficiency in constant volume combustion, is closest to the idea of the present invention.
Tavanomaisessa happipoltossa käytetään ilmasta kryotekniikalla erotettua happea ja jäähdytys hoidetaan hiilidioksidin kierrätyksellä lämmönvaihtimien kautta. Keksinnön mukainen laite mahdollistaa polton, joka toimii pienemmällä entropian generoinnilla, eli lähempänä tasapainotilaa, kuin perinteinen poltto.Conventional oxygen combustion uses cryogenic oxygen from the air and the cooling is effected by recycling carbon dioxide through heat exchangers. The device of the invention enables combustion that operates with less entropy generation, i.e. closer to equilibrium than conventional combustion.
Ns. happikalvojen käyttöä poltossa on myös tutkittu (esim. US 2008/0141672) ja todettu, että tämän kalvon avulla polton vaatima energiamäärä saadaan pienennettyä. Näissä happikalvoissa hyödynnetään puoliläpäisevien kalvojen kykyä kuljettaa happi-ioneja. Polttoreaktion tasapainotila saavutetaan kalvon eri puolien välisen happipaine-eron avulla. Reaktio toteutetaan olosuhteilla, joiden tarkoitus on erottaa happi muista palamisilman komponenteista.The use of so-called oxygen films in combustion has also been studied (e.g., US 2008/0141672) and it has been found that this film can reduce the amount of energy required for combustion. These oxygen films utilize the ability of semipermeable membranes to carry oxygen ions. The equilibrium state of the combustion reaction is achieved by the difference in oxygen pressure between the different sides of the film. The reaction is carried out under conditions designed to separate oxygen from other combustion air components.
EP-julkaisuissa 1172135 ja 2026004 kuvataan vastaavan happikalvon käyttöä poltoissa, joissa vältetään typen kuljettamista kalvon läpi, koska typen läsnäolo estäisi mahdollisimman hiilidioksidi-rikkaan tuotevirran saamista. Julkaisuissa katsotaan myös, että typpeä kuljettamalla ei voida saavuttaa tehokasta prosessia, koska typen lämmittämiseen kuluu energiaa.EP 1172135 and 2026004 disclose the use of a corresponding oxygen film in combustion which avoids the passage of nitrogen through the membrane, since the presence of nitrogen would prevent the production of a product rich in carbon dioxide. The publications also consider that an efficient process cannot be achieved by transporting nitrogen because it consumes energy to heat the nitrogen.
Hash im S.M. et al:n julkaisussa (Current status of ceramic-based membranes for oxygen separation from air, Advances in Colloid and Interface Science 160 (2010) 88-100) puolestaan paneudutaan tällaisten happikalvojen materiaaleihin ja kehitykseen.Hash im S.M. et al. (Current Status of Ceramic-Based Membranes for Oxygen Separation from Air, Advances in Colloid and Interface Science 160 (2010) 88-100), in turn, addresses the materials and development of such oxygen films.
EP1040861A1 koskee polttomenetelmää, jonka avulla happi-ionit saadaan kuljetettua puoliläpäisevän poltinkalvon läpi.EP1040861A1 relates to a combustion process for transporting oxygen ions through a semipermeable burner film.
Tunnetun happikalvon avulla voidaankin toteuttaa paineistettu happipoltto. Ongelmaksi muodostuvat erittäin korkeat palamislämpötilat, minkä takia menetelmää on sellaisenaan vaikea soveltaa lämpövoimaprosesseihin.Thus, with the aid of a known oxygen film, pressurized oxygen combustion can be realized. The problem is the extremely high combustion temperatures, which makes the process as such difficult to apply to thermal power processes.
Tämän ongelman ratkaisuna on esillä olevassa keksinnössä esitetty kalvo, joka läpäisee hapen lisäksi myös typpikaasua, jolloin typpi toimii jäähdyttimenä ja paineistuu samalla myös itse kalvon läpi kulkeutuessaan.The solution to this problem is the membrane of the present invention, which, in addition to oxygen, is permeable to nitrogen gas, whereby the nitrogen acts as a condenser and at the same time pressurizes as it passes through the membrane itself.
Näin ollen, esillä olevassa keksinnössä, sekä ilmassa oleva happi- että typpikaasu kulkeutuvat palamisilmasta paineistettuun tilaan, mikä saadaan aikaan ilman kompressorin vaatimaa työtä, ja näin parannetaan polttoprosessiin liitetyn lämpövoimakoneen hyötysuhdetta merkittävästi.Thus, in the present invention, both oxygen and nitrogen gas in the air are transported from the combustion air to the pressurized space, which is achieved without the work required by the compressor, thereby significantly improving the efficiency of the thermal power plant connected to the combustion process.
Keksinnön lyhyt kuvausBrief Description of the Invention
Esillä olevan keksinnön eräänä tavoitteena on aikaansaada uusi, tunnettuja ratkaisuja tehokkaampi polttoprosessi.It is an object of the present invention to provide a new combustion process which is more efficient than known solutions.
Erityisesti esillä olevan keksinnön eräänä tavoitteena on aikaansaada uusi polttoprosessi, jossa entropian generointi saadaan minimoitua tunnetun tekniikan happikalvojen käyttöön nähden.In particular, it is an object of the present invention to provide a novel combustion process in which entropy generation can be minimized with respect to the use of prior art oxygen films.
Esillä oleva keksintö koskee täten menetelmää, jonka avulla palamisilman happi ja typpi kulkeutuvat kalvon lävitse polttoainekaasulla paineistettuun tilaan palamisreaktion avulla ilman kompressoria. Menetelmä voidaan toteuttaa putkimaisista kalvoista tehdyllä polttimella. Putkimainen kalvo on happi- ja typpi-ioneja johtava keraaminen pinnoite, joka on sijoitettu tukirakenteena toimivan huokoisen keraamisen kapillaariputken sisäpinnalle.The present invention thus relates to a process by which oxygen and nitrogen of combustion air are transported through a membrane into a space pressurized with fuel gas by a combustion reaction without a compressor. The method can be implemented with a burner made of tubular films. The tubular membrane is a ceramic coating conducting oxygen and nitrogen ions, which is disposed on the inner surface of a porous ceramic capillary tube serving as a support structure.
Näin happi-ionit saadaan kuljetettua paineistettuun polttotilaan ilman kompressorin apua.Thus, the oxygen ions can be transported to the pressurized combustion chamber without the aid of a compressor.
Edullisesti sekä palamisilma että jäähdytykseen tarvittava typpikaasu saadaan tuotua paineiseen tilaan ilman kompressorin käyttöä.Preferably, both the combustion air and the nitrogen gas needed for cooling can be introduced into the pressurized state without the use of a compressor.
Täsmällisemmin sanottuna esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.More specifically, the method of the present invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 1.
Esillä olevan keksinnön polttimelle on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 11 tunnusmerkkiosassa.The burner of the present invention is characterized in what is set forth in the characterizing part of claim 11.
Esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan lukuisia etuja tunnetun tekniikan ratkaisuihin verrattuna. Polttoaineen energiasisällöstä saadaan enemmän sähköntuotantoon sopivaa energiaa (exergiaa) ja polttomoottorikäytössä enemmän mekaanista energiaa kuin tunnetuilla polttoratkaisuilla. Ero joihinkin käytössä oleviin happipolttoihin on siinä, että tässä happi otetaan ilmasta kalvon lävitse, kun perinteisessä happipoltossa käytetään talotekniikalla ilmasta erotettua happea. Lisäksi nyt käytetään typpikaasua polttotilan korkean lämpötilan alentamiseen.The present invention achieves numerous advantages over prior art solutions. The energy content of the fuel produces more energy suitable for power generation (exergy) and, in the case of internal combustion engines, more mechanical energy than known combustion solutions. The difference with some of the oxygen burners in use is that here oxygen is drawn from the air through the membrane, while conventional oxygen burning uses oxygen separated from the air by house technology. In addition, nitrogen gas is now used to lower the high temperature of the combustion chamber.
Piirustusten lyhyt kuvausBrief Description of the Drawings
Kuvio 1 on kaavamainen kuvaus tunnetun, ns. happikalvon (happea kuljettavan kalvon), toimintaperiaatteesta, jolla happikalvolla määritetään happipitoisuus mittaamalla jännite, jonka perusteella voidaan laskea hapen osapaineiden suhde kalvon yli Nernstin kaavan avulla.Figure 1 is a schematic representation of the known, so-called. oxygen membrane (oxygen-carrying membrane), a method of determining the oxygen content of an oxygen membrane by measuring the voltage at which the partial pressure of oxygen over the membrane can be calculated using the Nernst formula.
Kuvio 2 on kaavamainen kuvaus keksinnön mukaisen, ns. itsepaineistuvan kalvopolton toimintaperiaatteesta, jolloin kuviossa 2A on esitetty periaate, jolla polttoainekaasun hapettumisella saadaan kalvon sisälle sähkökenttä, ja kuviossa 2B on havainnollistettu happi- ja typpi-ionien kulku kalvossa.Fig. 2 is a schematic representation of a so-called embodiment according to the invention. 2A illustrates the principle of providing an electric field within the membrane by oxidation of the fuel gas, and FIG. 2B illustrates the flow of oxygen and nitrogen ions in the membrane.
Kuviossa 3a on graafisesti kuvattu turboahtimella toteutettu perinteinen dieselmoottori-prosessi ja kuviossa 3b vastaava prosessi keksinnön mukaisella ulkoisella itsepaineis-tuvalla kalvoprosessilla.Figure 3a is a graphical representation of a conventional diesel engine turbocharged process and Figure 3b a corresponding process with an external self-pressurized diaphragm process according to the invention.
Kuviossa 4A on graafisesti kuvattu ideaalista palamista kaasuturbiiniprosessissa, jossa hiilen palaminen tapahtuu isentrooppisesti ja palamisreaktiossa vapautunut lämpö muutetaan työksi kaasuturbiinissa, eli itsepaineistuva polttoprosessi, jossa 5^- = 0 (teoreettinen lämpöpoltto (theoretical thermal combustion), ei energiahävikkiä). Kuviossa 4B on esitetty kuvion 4A mukaisen prosessin eräs edullinen suoritusmuoto, jossa on näytetty myös polttimen keraamiset ontot kuitukalvot.Figure 4A is a graphical representation of the ideal combustion in a gas turbine process in which the combustion of the carbon occurs isentropically and the heat released in the combustion reaction is converted into work in a gas turbine, i.e. a self-pressurized combustion process with 5 ^ - = 0 (Theoretical thermal combustion). Figure 4B shows a preferred embodiment of the process of Figure 4A which also shows ceramic hollow fiber films of the burner.
Kuvioissa on käytetty seuraavaa viitenumerointia: 1 poltin 2 polttotila 3 puoliläpäisevä poltinkalvo 31 perovskiitti (happi-selektiivinen katalyytti) 4 putkimainen tukirakenne (kapillaariputki) 5 turbiini 51 kaasuturbiini 6 generaattoriIn the figures the following reference numbering is used: 1 burner 2 combustion chamber 3 semipermeable burner film 31 perovskite (oxygen selective catalyst) 4 tubular support structure (capillary tube) 5 turbine 51 gas turbine 6 generator
Keksinnön edullisten suoritusmuotojen yksityiskohtainen kuvausDetailed Description of Preferred Embodiments of the Invention
Esillä oleva keksintö koskee polttomenetelmää, jonka tarkoituksena on pakokaasuvirran tuottaminen mahdollisimman korkeassa paineessa. Tässä polttomenetelmässä käytetään poltinta 1, joka sisältää yhden tai useamman yhdensuuntaisesti asetetun putkimaisen, puoliläpäisevän poltinkalvon 3, jotka puolestaan muodostavat yhden tai useamman putkimaisen, paineistetun polttotilan 2. Polttotilaan 2 johdetaan polttoaine, edullisesti polttotilan 2 paineessa, ja samanaikaisesti sekä palamisilman happi että typpi, ionisessa muodossa, kulkeutuvat poltinkalvon 3 lävitse polttotilaan 2 ilman kompressorin apua. Happi- ja typpi-ionien kulkeutumisen ajavana voimana on palamisreaktion seurauksena syntynyt poltinkalvon 3 sisäinen sähkökenttä.The present invention relates to a combustion process designed to produce an exhaust gas stream at the highest possible pressure. This combustion method employs a burner 1 comprising one or more parallel tubular, semipermeable burner films 3 which in turn form one or more tubular pressurized combustion chamber 2. The combustion chamber 2 is supplied with fuel, preferably at the pressure of the combustion chamber 2, and simultaneously form, pass through the burner diaphragm 3 to the combustion chamber 2 without the aid of a compressor. The driving force for the transport of oxygen and nitrogen ions is the internal electric field of the burner film 3 as a result of the combustion reaction.
Keksinnön eräs suoritusmuoto koskee myös menetelmää typpi-ionien kuljettamiseksi polttimen 1 happi-ioneja läpäisevän poltinkalvon 3 läpi, jossa menetelmässä happi-ioneja kuljetetaan poltinkalvon 3 läpi palamisreaktiolla toteutetun happiosapaine-eron avulla, jolloin muodostetaan poltinkalvolle 3 sähkökenttä, jolla saadaan tuotua hapen lisäksi myös merkittävä määrä typpi-ioneja saman poltinkalvon 3 läpi. Myös happiosapaine-ero vaikuttaa typpi-ionien kulkeutumiseen.An embodiment of the invention also relates to a method of transporting nitrogen ions through a burner membrane 3 which passes through the oxygen ions of burner 1, wherein oxygen ions are transported through burner film 3 by an oxygen pressure difference through combustion to provide an electric field to burner film 3 nitrogen ions through the same burner film 3. The difference in oxygen pressure also affects the transport of nitrogen ions.
Edelleen keksintö koskee poltinta 1 hyödynnettäväksi palamisreaktiossa, joka poltin 1 sisältää yhden tai useamman yhdensuuntaisesti asetetun putkimaisen polttotilan 2, jotka kukin sisältävät puoliläpäisevän poltinkalvon 3 sekä sitä ympäröivän huokoisen keraamisen tukirakenteen 4. Tätä poltinta 1 voidaan hyödyntää yllä mainitussa menetelmässä.The invention further relates to a burner 1 for use in a combustion reaction, which burner 1 comprises one or more parallel-placed tubular combustion spaces 2 each containing a semipermeable burner film 3 and a porous ceramic support structure 4 surrounding it. This burner 1 can be utilized in the above process.
Keksinnössä pyritään kehittämään polttoprosessien energiahyötysuhdetta pienentämällä entropian generointia ja vastaavasti exergiahäviötä. ”Exergialla” tarkoitetaan energian työhön kykenevää osuutta, kun taas ”entropiaa” käytetään kuvaamaan energian ja materian jakaantumista järjestelmään, kuten tässä polttotilaan 2 ja sen ympäristöön. Entropian generoinnin pienentäminen (tässä epäjärjestyksen pienentäminen ja materian ohjaaminen haluttuun tilaan) vaatii tunnetusti ulkoista työtä/voimaa, eikä tätä saada aikaan täydellisellä hyötysuhteella. Keksinnössä pyritään kuitenkin optimoimaan tätä hyötysuhdetta.The invention seeks to improve the energy efficiency of combustion processes by reducing entropy generation and exergy losses, respectively. "Exergy" refers to the portion of energy that is capable of working, while "entropy" is used to describe the distribution of energy and matter within a system, such as in combustion space 2 and its surroundings. Reducing entropy generation (here, reducing disorder and directing matter to the desired state), as is known, requires external work / force, and is not accomplished with perfect efficiency. However, the invention seeks to optimize this efficiency.
Polton palamisilma sisältää happea ja typpeä, ja valinnaisesti myös muita komponentteja. Edullisesti palamisilma sisältää olennaisesti samat komponentit ja olennaisesti samoissa pitoisuuksissa kuin ulkoilma, eli noin 78 til-% typpeä ja noin 21 til-% happea.Combustion air contains oxygen and nitrogen, and optionally other components. Preferably, the combustion air contains substantially the same components and at substantially the same concentrations as the outdoor air, i.e., about 78% by volume of nitrogen and about 21% by volume of oxygen.
Putkimainen poltinkalvo 3 on happi- ja typpi-ioneja läpäisevää materiaalia, kuten yttriumilla stabiloitua zirkoniumoksidia (YSZ). Erityisen edullisesti poltinkalvo 3 on dopattu typellä. Kalvomateriaaliin erityisen edullisesti sijoitetulla perovskiittifaasilla 31 saadaan elektronit kuljetettua materiaalin sisällä, jolloin anodin ja katodin välinen jännite-ero saadaan siirrettyä elektrolyyttiin (joka tässä on kalvomateriaali, kuten YSZ). Tämä poltinkalvo 3 voidaan sijoittaa tukirakenteena toimivan huokoisen putken 4, kuten keraamisen kapillaariputken, sisäpinnalle. Tukirakenteena toimiva kapillaariputki 4 on edullisesti huokoista zirkoniumoksidia.The tubular burner film 3 is a material permeable to oxygen and nitrogen ions, such as yttrium-stabilized zirconia (YSZ). Particularly preferably, the burner film 3 is doped with nitrogen. The perovskite phase 31, which is particularly preferably placed in the membrane material, allows the electrons to be transported within the material, whereby the voltage difference between the anode and the cathode can be transferred to the electrolyte (which here is a membrane material such as YSZ). This burner film 3 may be disposed on the inner surface of a porous tube 4, such as a ceramic capillary tube, which acts as a support structure. The capillary tube 4 serving as the support structure is preferably porous zirconia.
Näistä materiaaleista muodostetaan ohuita, onttoja putkia 4. Edullisesti, joukko näitä putkia 4, esimerkiksi 3 - 1000 kpl, erityisesti 5 - 100 kpl, niputetaan yhteen, ja muodostetaan niistä paketti (jäljempänä kalvoputkijärjestelmä).Thin hollow tubes 4 are formed from these materials. Preferably, a plurality of these tubes 4, for example 3 to 1000 pieces, in particular 5 to 100 pieces, are bundled together and formed into a package (hereinafter referred to as a membrane tube system).
Tukirakenteena toimivan kapillaariputken 4 seinämänpaksuus on edullisesti 0,1 - 0,5 mm ja halkaisija 2-4 mm. Poltinkalvon 3 paksuus on edullisesti 1 pm - 100 pm.The capillary tube 4 serving as a support structure preferably has a wall thickness of 0.1 to 0.5 mm and a diameter of 2 to 4 mm. The thickness of the burner film 3 is preferably from 1 µm to 100 µm.
Kalvopolttimen 1 koko voidaan kuitenkin vaihdella kuhunkin sovellukseen sopivaksi. Reaktiopinta-alaa on suhteellisen helppo pakata esimerkiksi millimetrin luokkaa halkaisijaltaan olevien putkien 4 avulla hyvinkin pieneen tilavuuteen.However, the size of the film burner 1 may be varied to suit each application. The reaction area is relatively easy to pack, for example, by means of tubes 4 in diameter to a very small volume.
Tunnetun tekniikan mukaisen happikalvon toiminta on kuvattu kuviossa 1. Tässä on käytetty happikalvon materiaalina zirkoniumoksidin ja yttriumoksidin seosta (ZrC^YiCF 92:8), eli yttriumilla stabiloitua zirkoniumoksidia (YSZ, 8 %). Keksinnön mukaisen puoli-läpäisevän kalvon 3 toiminta on puolestaan havainnollistettu kuvioissa 2A ja 2B. Tässä on kalvomateriaalina käytetty yttriumilla stabiloitua zirkoniumoksidia (YSZ), 8 %, joka kalvo 3 sisältää perovskiittifaasin 31 ja on dopattu typellä (esim. 7,5 %).The function of the prior art oxygen film is illustrated in Figure 1. Here, a mixture of zirconia and yttrium oxide (ZrCl 2 YiCF 92: 8), i.e. yttrium stabilized zirconia (YSZ, 8%), is used as the oxygen film material. The operation of the semi-permeable membrane 3 according to the invention is illustrated in Figures 2A and 2B. Herein, yttrium-stabilized zirconia (YSZ), 8%, is used as the membrane material, which membrane 3 contains the perovskite phase 31 and is doped with nitrogen (e.g. 7.5%).
Keksinnössä käytetty kalvomateriaali muistuttaa korkealämpötilapolttokennoissa (SOFC) elektrolyytteinä käytettyjä materiaaleja, joissa tavoitteena on saada suuri potentiaaliero kalvon sähköä (elektroneja) johtavien elektrodien välille (koska työ otetaan täällä ulos) ja pieni elektrolyytin ylitse (koska se on kaikki häviötä).The membrane material used in the invention resembles the materials used in high temperature fuel cell (SOFC) electrolytes, which aim to achieve a high potential difference between the electrodes conducting the membrane (because the work is taken out here) and a small one over electrolyte (because it is all loss).
Keksinnössä tilanne on kuitenkin tavanomaiseen SOFC-materiaalien käyttöön verrattuna päinvastainen. Tavoitteena on saada sisäinen potentiaaliero kalvomateriaalin elektrolyytin (YSZ) yli suureksi ja käyttää sitä happi- ja typpi-ionien pumppaamiseen. Kaivorakenteeseen sijoitetaan edullisesti elektroneja johtava perovskiitti 31, joka oiko sulkemalla anodin ja katodin siirtää potentiaalieron elektrolyyttiin (YSZ) kuviossa 2A esitetyn mukaisesti. Palamisilman komprimointi polttotilaan 2 tapahtuu ionien muodossa sähkökenttää hyväksi käyttämällä, seuraavien termodynaamisten perusilmiöiden mukaisesti: 1°. Keksinnön eräässä suoritusmuodossa happikaasua syötetään alhaisessa paineessa 2_ paineiseen polttotilaan 2 happi-ionin O " -muodossa, joka mahdollistaa hapen syötön ilman takaisinvuotoa (kuvio 2A). Riittävän korkeassa lämpötilassa (esim. luokkaa 900 °C) keraaminen kalvomateriaali (kuten yttriumilla stabiloitu zirkoniumoksidi (YSZ)) alkaa johtaa kohtuullisen hyvin happi-ioneja (sekä typpi-ioneja). Palamiskohdassa poltinkalvon 3 pinnalla osa hapesta reagoi suoraan polttoaineen kanssa ja osa hapesta kaasuuntuu ja reagoi tämän jälkeen polttoaineen kanssa. Kalvomateriaalin sisään (paksuus As) muodostuu potentiaaliero U, jonka suuruutta, yksinkertaistetun tarkastelumallin mukaan, voidaan arvioida sähkökemiallisten hapetusreaktioiden (1) ja (2) avulla (kuvio 2A):However, in the invention, the situation is the opposite of the conventional use of SOFC materials. The goal is to make the internal potential difference across the membrane material electrolyte (YSZ) large and use it to pump oxygen and nitrogen ions. Preferably, the electron-conducting perovskite 31 is disposed in the well structure, which by closing the anode and cathode transfers the potential difference to the electrolyte (YSZ) as shown in Figure 2A. Compression of the combustion air into the combustion chamber 2 takes place in the form of ions using an electric field, according to the following basic thermodynamic phenomena: 1 °. In one embodiment of the invention, oxygen gas is fed to a low pressure 2-pressure combustion chamber 2 in an O "form of oxygen ion that allows oxygen delivery without reflux (Fig. 2A). At sufficiently high temperature (e.g., 900 ° C), ceramic )) begins to conduct fairly well oxygen ions (as well as nitrogen ions) At the burn site, on the surface of the burner film 3, some of the oxygen reacts directly with the fuel and some of the oxygen gasses and then reacts with the fuel. according to a simplified view, can be estimated by electrochemical oxidation reactions (1) and (2) (Figure 2A):
(1)(1)
Syntynyt sähkökenttä E = U/As, suuruusluokaltaan 104 - 106 V/m, aiheuttaa happi-ioneihin voiman, joka vetää happea reaktiopintaa kohti, vaikka se on paineisessa tilassa.The resulting electric field E = U / As, of the order of 104 to 106 V / m, causes a force on the oxygen ions to draw oxygen towards the reaction surface, even though it is in a pressurized state.
2°. Happi-ioneista vapautuvat elektronit2 °. Electrons released from oxygen ions
(2) kulkeutuvat hapen sisäänottokohtaan, eli poltinkalvon 3 toiselle pinnalle erillistä faasia (perovskiittiä 31) pitkin, jolla on riittävä sähkönjohtavuus ja joka estää elektronien rekombinoitumisen. Näin elektronit asettuvat poltinkalvon 3 yli suunnilleen samaan potentiaaliin ja potentiaaliero syntyy kalvomateriaaliin YSZ.(2) migrate to the oxygen uptake site, i.e., to the other surface of the burner film 3, along a separate phase (perovskite 31) which has sufficient electrical conductivity and prevents electron recombination. Thus, the electrons are positioned over the burner film 3 at approximately the same potential and the potential difference is created in the film material YSZ.
3°. Typellä dopatulla keraamisella poltinkalvolla 3 (esim. YSZ : N 7,5 %) saadaan myös o_ typpi-ionit (N ") kulkemaan kalvomateriaalin kiderakenteessa. Typpi johdetaan polttotilaan 2 hapen reagoinnin seurauksena syntyneen sähkökentän E vaikutuksesta, vaikka typen vastapaine polttotilassa 2 on merkittävästi suurempi kuin sen osapaine palamisilmassa. Typen kaasuuntuminen voi tapahtua hapen ionisoitumisen kautta seuraavan tasapaino yhtälön mukaan (kuvio 2A):3 °. Nitrogen doped ceramic burner film 3 (e.g. 7.5% YSZ) also allows the _ nitrogen ions (N ″) to pass through the crystal structure of the film material. as its partial pressure in the combustion air. Nitrogen gasification can occur through the ionization of oxygen according to the following equation (Figure 2A):
(3)(3)
Polttotilaan 2 saatu typpikaasu jäähdyttää pakokaasuja, joiden lämpötila puhtaassa happipoltossa jää hyvin korkeaksi.The nitrogen gas obtained in the combustion chamber 2 cools the exhaust gases, whose temperature in the pure oxygen combustion remains very high.
Keksinnön menetelmässä lämpötilojen hallinta perustuu kuitujen sisällä tapahtuvan poltto-prosessin ja palamisilman oikeaan keskinäiseen virtaukseen. Näillä saadaan poltinkalvon 3 lämpötilajakauma tasaiseksi, siten että putkessa on kauttaaltaan toimintalämpötila, joka on riittävän korkea hyvän palamisen aikaan saamiseksi. Edullisesti, polttotilan 2 lämpötila pidetään alueella 500 - 1000 °C, sopivimmin lähellä lämpötilaa 900 °C. Näin saadaan entropian generointi minimoitua edelleen.In the method of the invention, temperature control is based on the correct mutual flow of the combustion process within the fibers and the combustion air. These provide a uniform temperature distribution of the burner film 3 so that the tube has an operating temperature throughout the tube that is high enough to achieve good combustion. Preferably, the temperature of the combustion chamber 2 is maintained in the range of 500-1000 ° C, preferably near 900 ° C. This will further minimize entropy generation.
Keksinnön mukaisessa polttimessa poltinkalvoa 3 ympäröivä huokoinen keraaminen tukirakenne on edullisesti muodostettu nanopartikkeleista. Näillä nanopartikkeleista valmistetuilla tukirakenneputkilla 4 saavutetaan erittäin suuret lujuudet, vaikka rakenne 4 on huokoinen. Näin ollen, tukirakenneputken 4 sisälle voidaan lujuusmielessä sallia kohtalaisen suuria paineita. Kalvoputkijärjestelmän tulisi kestää niinkin suuria paine-eroja kuin 15 baarin eroja, tai korkeampia, kuten jopa 20 baarin eroja.In the burner according to the invention, the porous ceramic support structure surrounding the burner film 3 is preferably formed of nanoparticles. These nanoparticulate support structure tubes 4 achieve very high strength even though the structure 4 is porous. Thus, relatively high pressures can be allowed inside the support tube 4 for strength. The membrane tube system should withstand pressure differences as large as 15 bar, or higher, such as up to 20 bar.
Keksinnön mukaisen poltinkalvon 3 toimintaa ohjataan siten, että palamispinnassa happi-ionit reagoivat polttoaineen kanssa (kaava (2), jolloin syntyy potentiaaliero palamispinnan ja happea vastaanottavan pinnan välille. Perovskiittifaasin 31 ansiosta potentiaaliero siirtyy elektrolyyttiin eli YSZ-rakenteeseen (kuvio 2A). Tästä syntyy kalvon 3 sisälle happea palamispintaan ajava voima, minkä seurauksena happea alkaa virrata polttotilaan 2.The operation of the burner film 3 according to the invention is controlled by reacting oxygen ions on the combustion surface with the fuel (formula (2), thereby creating a potential difference between the combustion surface and the oxygen receiving surface. Thanks to the perovskite phase 31, the potential difference is transferred to the electrolyte or YSZ structure. 3 a force driving oxygen into the combustion surface, as a result of which oxygen flows into the combustion chamber 2.
Myös typpikaasua alkaa virrata polttotilaan 2, koska myös typpikaasu ionisoituu poltinkalvon 3 korkeassa lämpötilassa ja elektrolyytissä (YSZ) vaikuttava sähkökenttä vetää typpi-ioneja palamispintaa kohti.Nitrogen gas also begins to flow into the combustion chamber 2, because the nitrogen gas is also ionized at the high temperature of the burner film 3 and the electric field in the electrolyte (YSZ) draws nitrogen ions towards the combustion surface.
Näin ollen, keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaan, keksinnön mukainen poltin 1 toimii siten, että polttoaine tuodaan putkimaiseen keraamiseen polttotilaan 2 sen toisesta päästä, kun taas palamisilma tuodaan putkimaista keraamista materiaalia ympäröivään tilaan (tai edellä mainitun kalvoputkijärjestelmän tai putkipaketin keskelle), jossa se jakaantuu pituussuuntaan tasaisesti, jolloin palamisilman happi ja typpi läpäisevät tukirakenteen 4 sekä poltinkalvon 3 materiaalin, ja joutuvat näin kosketuksiin polttoaineen kanssa, jolloin reaktio saadaan aikaiseksi. Lämpötilan noustessa, putkimateriaali alkaa johtaa entistä paremmin happea ja typpeä.Thus, according to a preferred embodiment of the invention, the burner 1 according to the invention operates by introducing the fuel into a tubular ceramic combustion chamber 2 at one end while the combustion air is introduced into a space surrounding the tubular ceramic material (or center of the diaphragm system or tube package) uniformly, whereby the oxygen and nitrogen of the combustion air pass through the material of the support structure 4 and the burner diaphragm 3 and thus come into contact with the fuel, whereby the reaction is effected. As the temperature rises, the pipe material begins to conduct better oxygen and nitrogen.
Keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaan, palamisilma tuodaan putkimaisen rakenteen 4 ulkopuolelle ilman paineessa. Kaasumainen polttoaine (kuten CH4(g)) tuodaan puolestaan korotetussa (kaasuverkon tai polttoaineen kaasuttimen) paineessa putkimaisen kalvon 3 sisäpuolelle, jossa vallitsee korotettu lämpötila (korkeampi kuin polttoaineen kaasuuntumislämpötila). Kalvon 3 sisäpuolella, sen pinnalla, myös palaminen tapahtuu, jolloin polttoaine reagoi hiilidioksidiksi ja vedeksi. Korkeassa lämpötilassa happi- ja typpi-molekyylit läpäisevät ensin huokoisen tukimateriaalin ja sitten ionisoituneessa muodossa puoliläpäisevän poltinkalvon 3. Polttoaine ei puolestaan kykene merkittävissä määrin läpäisemään kalvoa 3.According to a preferred embodiment of the invention, the combustion air is introduced outside the tubular structure 4 under atmospheric pressure. The gaseous fuel (such as CH4 (g)), in turn, is introduced at elevated (gas grid or fuel carburettor) pressure inside the tubular film 3 at elevated temperature (higher than the gasification temperature of the fuel). Inside the membrane 3, on its surface, combustion also takes place, whereby the fuel reacts to carbon dioxide and water. At high temperatures, the oxygen and nitrogen molecules first pass through the porous support material and then, in ionized form, to the semipermeable burner membrane 3. The fuel, in turn, is not capable of significantly permeating the membrane 3.
Polttoaineen hapetuksessa, eli palamisreaktiossa, syntyvät pakokaasut poistuvat putkimaisen kalvon 3 toisesta päästä (poistopäästä) suunnilleen samassa paineessa kuin missä polttoainekaasu on syötetty sisään putken toisesta päästä (sisääntulosta). Koska poistuvien pakokaasujen määrä on suurempi kuin polttoainekaasujen määrä, kaasun virtausnopeus kasvaa kalvomaisen putken sisällä putken virtaussuunnassa.The exhaust gases generated in the oxidation of the fuel, i.e. the combustion reaction, exit at one end (outlet) of the tubular film 3 at approximately the same pressure as where the fuel gas is introduced at the other end (inlet) of the tube. Because the amount of exhaust gas exiting is greater than the amount of fuel gas, the gas flow rate inside the membrane tube increases in the direction of the tube flow.
Keksinnön mukaista poltinta 1 voidaan hyödyntää polttojärjestelmässä, joka polttimen 1 lisäksi sisältää polttoaineen syöttöjärjesteinään sekä pakokaasujen käsittelyjärjestelmän.The burner 1 according to the invention can be utilized in a combustion system which, in addition to the burner 1, includes fuel as its feeder systems and an exhaust gas treatment system.
Seuraavat ei-rajoittavat esimerkit kuvaavat keksintöä ja sen etuja.The following non-limiting examples illustrate the invention and its advantages.
EsimerkiteXAMPLES
Esimerkki 1 - Polton exergiahäviöt polttomoottoriprosessissa Tässä esimerkissä tutkimme tavanomaista polttomoottoria (turboahtimella varustettua dieselmoottoria).Example 1 - Exergy Losses of Combustion in the Internal Combustion Engine Process In this example, we investigate a conventional internal combustion engine (a turbocharged diesel engine).
Polttomoottorin teoreettiselle hyötysuhteelle voidaan johtaa kaava:The following can be derived from the theoretical efficiency of the internal combustion engine:
jossa Gm vastaa entropian generointia koko polttomoottoriprosessissa ja -[H(BS) - H(A)] on isentrooppista polttoa vastaava lämpöarvo.where Gm corresponds to the generation of entropy throughout the internal combustion process and - [H (BS) - H (A)] is the calorific value corresponding to isentropic combustion.
Kuvion 3a esimerkin mukaisessa polttomoottorissa palamisprosessin osuus koko exergiahäviöstä on noin 79 %. Moottorin vastaava kokonaishyötysuhde ajotilanteessa on n. 48 %. Olettaen, että polton exergiahäviö saadaan eliminoitua, hyötysuhde olisi n. 89 % (kuvio 3b).In the internal combustion engine of Example 3a, the combustion process accounts for about 79% of the total exergy loss. The corresponding overall efficiency of the engine when driving is approximately 48%. Assuming that the exergy loss of combustion can be eliminated, the efficiency would be about 89% (Figure 3b).
Tämän moottorin termodynaaminen hyötysuhde on samojen rajoitusten alainen kuin polttokennon hyötysuhde (katso kuvio 3).The thermodynamic efficiency of this engine is subject to the same limitations as the fuel cell efficiency (see Figure 3).
Vertailuesimerkki 1 - Polton häviöt tavanomaisessa kaasuturbiiniprosessissaComparative Example 1 - Combustion Losses in a Conventional Gas Turbine Process
Kaasuturbiiniprosessille polton exergiahäviöiden merkitys on myös aivan ratkaiseva. Palamisilman tuomiseen polttotilaan käytetään yleisesti kompressoria. Esimerkinomaisessa tapauksessa kompressori ottaa 54 MW:n akselitehon kaasuturbiinilta. Kaasuturbiinille tulevat pakokaasut ovat lämpötilassa 1100 °C ja paineessa 11 bar. Kaasuturbiinin kokonaisteho on 94 MW, josta generaattorille siirtyvä teho on 94 - 54 = 40 MW.The combustion exergy losses are also crucial to the gas turbine process. A compressor is commonly used to bring combustion air into the combustion chamber. In the exemplary case, the compressor draws 54 MW of shaft power from the gas turbine. The exhaust gases entering the gas turbine are at a temperature of 1100 ° C and a pressure of 11 bar. The total power of the gas turbine is 94 MW, of which the power transmitted to the generator is 94 - 54 = 40 MW.
Esimerkki 2 - polton exergiahäviöt ideaalisessa kaasuturbiiniprosessissaExample 2 - Exergy Losses of Combustion in an Ideal Gas Turbine Process
Pienentämällä vertailuesimerkin 1 polton entropiahäviötä riittävästi, saadaan polttotilassa riittävä 11 baarin itsepaineistus, jolloin kompressoria ei tarvita ja koko 94 MW voi siirtyä generaattorille. Kuviossa 4A on periaatekuva ideaalisesta kaasuturbiiniprosessista, jossa palamisprosessi on isentrooppinen, jota vastaava teoreettinen itsepaineistus on erittäin suuri (746 bar), ja kuviossa 4B on esitetty vastaava, edullisen suoritusmuodon mukainen prosessi.By sufficiently reducing the entropy loss of the combustion of Comparative Example 1, sufficient combustion pressure of 11 bar is achieved in the combustion chamber, eliminating the need for a compressor and transferring the entire 94 MW to the generator. Figure 4A is a plan view of an ideal gas turbine process with an isentropic combustion process corresponding to a very high theoretical self-pressure (746 bar), and Figure 4B shows a corresponding process according to a preferred embodiment.
Claims (11)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20115447A FI126249B (en) | 2011-05-10 | 2011-05-10 | Combustion procedure and incinerator |
PCT/FI2012/050453 WO2012153003A1 (en) | 2011-05-10 | 2012-05-10 | Method for intensifying the combustion process |
EP12781618.9A EP2712414A4 (en) | 2011-05-10 | 2012-05-10 | Method for intensifying the combustion process |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FI20115447A FI126249B (en) | 2011-05-10 | 2011-05-10 | Combustion procedure and incinerator |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FI20115447A0 FI20115447A0 (en) | 2011-05-10 |
FI20115447A FI20115447A (en) | 2012-11-11 |
FI126249B true FI126249B (en) | 2016-08-31 |
Family
ID=44071575
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FI20115447A FI126249B (en) | 2011-05-10 | 2011-05-10 | Combustion procedure and incinerator |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP2712414A4 (en) |
FI (1) | FI126249B (en) |
WO (1) | WO2012153003A1 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102013114852B4 (en) | 2013-12-23 | 2018-07-05 | Aalto University | Arrangement and method for carrying out an intensified combustion |
Family Cites Families (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6355093B1 (en) * | 1993-12-08 | 2002-03-12 | Eltron Research, Inc | Two component-three dimensional catalysis |
US5846641A (en) * | 1997-03-20 | 1998-12-08 | Exxon Research And Engineering Company | Multi-layer membrane composites and their use in hydrocarbon partical oxidation |
US5888272A (en) * | 1997-06-05 | 1999-03-30 | Praxair Technology, Inc. | Process for enriched combustion using solid electrolyte ionic conductor systems |
US6641643B2 (en) * | 2000-10-10 | 2003-11-04 | Generon Igs Inc. | Ceramic deoxygenation hybrid systems for the production of oxygen and nitrogen gases |
US7717983B2 (en) * | 2005-10-18 | 2010-05-18 | Parker-Hannifin Corporation | Air separation module with load carrying center tube |
US7856829B2 (en) * | 2006-12-15 | 2010-12-28 | Praxair Technology, Inc. | Electrical power generation method |
US20110067405A1 (en) * | 2009-09-18 | 2011-03-24 | Concepts Eti, Inc. | Integrated Ion Transport Membrane and Combustion Turbine System |
-
2011
- 2011-05-10 FI FI20115447A patent/FI126249B/en not_active IP Right Cessation
-
2012
- 2012-05-10 EP EP12781618.9A patent/EP2712414A4/en not_active Withdrawn
- 2012-05-10 WO PCT/FI2012/050453 patent/WO2012153003A1/en active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FI20115447A0 (en) | 2011-05-10 |
EP2712414A4 (en) | 2015-04-22 |
WO2012153003A1 (en) | 2012-11-15 |
FI20115447A (en) | 2012-11-11 |
EP2712414A1 (en) | 2014-04-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Habib et al. | A review of recent developments in carbon capture utilizing oxy‐fuel combustion in conventional and ion transport membrane systems | |
JP3411838B2 (en) | Solid electrolyte ionic conductor system for producing oxygen, nitrogen and / or carbon dioxide using a gas turbine | |
CN100382369C (en) | Honeycomb type solid electrolytic fuel cell | |
JP5030436B2 (en) | Single-chamber solid oxide fuel cell | |
JP4596420B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
US11710841B2 (en) | Reaction device and fuel cell power generation system | |
CN103022536A (en) | Membrane humidifier for fuel cells | |
JP2014163318A (en) | Power generating system, method for operating power generating system, and control device | |
JP2007523441A (en) | Hydrogen diffusion electrode for protic ceramic fuel cells | |
US20020155328A1 (en) | Method and apparatus for water vapor transfer | |
KR101109294B1 (en) | Fuel cell having single body support | |
US20030008189A1 (en) | Humidifying system for a fuel cell | |
FI126249B (en) | Combustion procedure and incinerator | |
JP6099408B2 (en) | Power generation system and method for operating power generation system | |
KR102382663B1 (en) | Method for transporting nitride ions in an electrochemical cell | |
JP2014165072A (en) | Fuel cell power generation system, combined power generating system, operational method, and control apparatus | |
US6638651B2 (en) | Humidifying system for fuel cell | |
Tanaka et al. | Recovery of hydrogen from gas mixture by an intermediate-temperature type proton conductor | |
JP6239229B2 (en) | Fuel cell system and fuel cell operating method | |
KR102467992B1 (en) | Method for in-situ healing of electrolyte defects during operation of high-temperature electrochemical device and high-temperature electrochemical device thereby | |
JP2008198386A (en) | Fuel cell | |
JP6486649B2 (en) | Combined power generation system and control method of combined power generation system | |
KR20210037727A (en) | Exhaust gas energy recovery converter | |
JP7559127B1 (en) | Electrolysis system and method for operating the electrolysis system | |
JP5931775B2 (en) | Combined power generation system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG | Patent granted |
Ref document number: 126249 Country of ref document: FI Kind code of ref document: B |
|
MM | Patent lapsed |