用于制备含氢气态燃料的多阶段方法及用于实施所述方法的热气体产生装备制造方法
【专利摘要】本发明涉及在涡轮发电设备中制备含氢气态燃料的方法。在涡轮发电设备中实施用于制备含氢气态燃料的多阶段方法(G.G.Arakelyan法)，进行过程流的分离的至少三个阶段，包含分别供应水和碳氢化合物组分，其中，在第一阶段，加入水用于加热和蒸汽产生，在第二阶段，加入碳氢化合物组分，然后通过喷射方法与蒸汽混合，将混合物加热并转移到第三阶段和随后的加热阶段以制备燃料，然后将制备的燃料从后一阶段转移到用于形成燃烧火焰的燃烧系统的入口，所述燃烧火焰加热用于燃料的多阶段形成的工艺圆筒，以及工作火焰，将一些燃料用于外部使用。
【专利说明】用于制备含氢气态燃料的多阶段方法及用于实施所述方法 的热气体产生装备 1.
【技术领域】
[0001] 本发明涉及节能技术，主要涉及当燃烧温度高于500°c时，在连续热的火焰介质 中，结合催化介质从C nH2n+2(柴油、渔油）系列转化明为含氢气态燃料的方法和装备。最常 见的此类方法是指下述系统，其中，气态燃料生产和及其通过燃烧的实施组合成单个循环， 此外，此类系统也可以用于含氢气气体燃料的积聚。 2.
【背景技术】
[0002] 已知产生含氢气体的方法（SU专利号1144977,1985)，其中在含氢气体制备时在 高温模式下燃烧各组分。
[0003] 该方法的缺点是高能量消耗。
[0004] 已知由碳氢原料制备气体的方法（SU专利号939380,1982)，其中，将过热到430度 的水蒸汽与碳氢化合物混合，然后加热蒸汽和气体混合物。
[0005] 该方法的缺点在于必须施加附加的能量源以制备过热蒸汽和随后加热。
[0006] 已知在多种相态下使用水蒸气，所有相态的特征在于不同的平衡状态（Soviet encyclopedic dictionary. Μ· :1985,-p962, Ref. 〃Steam〃）。
[0007] 还已知与 申请人:所采用的方法最接近的方法"Method of producing hydrogen-containing gas in the turbo-generator setup〉〉（RU 专利号 2269486, 2006) 〇 用于其实施的已知的方法和装置与本申请所要求保护的技术方案具有相同的目的，方法的 特征在于，组合在单个封闭循环中的分阶段的顺序操作，并且所述装置含有对应于这些阶 段的区段。
[0008] 对于所述方法，在已知的技术方案中，实现了具有封闭循环的用于制备含氢气态 燃料的包括在强制加热模式中过程启动，并在自加热的正常模式中实现自加热过程的多阶 段方法，其包括混合碳氢化合物组分和水，它们通过在压力下泵送加入，加热，燃料返回和 点火。
[0009] 在已知的技术解决方案中，在常温（20度）下初始混合液相的水和碳氢化合物组 分不能保证混合物的分散后的组合物的稳定性，所述混合物随后加热制备燃料。
[0010] 停止混合（即，从混合物到达的时刻至加热）之后，启动相反过程，由于水和碳氢 化合物组分的不同密度，混合物分层。这导致了混合物在分散后的组合物上的不均匀性。由 于随后加热混合物，也观察到温度的不均匀性。
[0011] 这些不均匀性保存在最终产物-燃料混合物中，引向火炬点火（torch ignition)，导致火炬燃烧不稳定，由于在一侧（在组合物上）形成混合物的局部中心，其中 所述混合物不能燃烧，导致点火中断和火炬熄灭（对于重碳氢化合物组分这是典型的），在 另一侧上，形成快速燃烧的混合物的局部中心，导致火炬中火焰的未经允许的闪光，对于轻 碳氢化合物组分这是典型的。
[0012] 作为已知的装置，其包括实现方法的相关元件，其为本申请所要求保护的技术方 案所固有，热气发生器装备设计为单一的装置，它具有复杂的多个段，所述装备包括燃烧器 系统、燃烧室、用于混合各组分的装置、点火脉冲装置、管道和启动系统，所述启动系统包括 供应可燃烧燃料的启动燃烧器。
[0013] 该装置具有实施方法所固有的缺点，包括由于混合物的不均匀性，燃料制备的过 程中发生故障。 3.
【发明内容】
[0014] 3. 1解决技术问题的结果
[0015] 技术问题在于消除已知技术方案的缺点，确保含氢气态燃料的制备过程的稳定 性，减少能量消耗和碳氢化合物组分排放。
[0016] 技术效果是在燃料制备过程中得到混合物的均匀相态，以确保工艺燃烧炬和工作 炬的燃烧的稳定性和恒定性，并增强含氢燃料制备的安全性，包括减少碳氢化合物组分排 放。
[0017] 所述技术问题的解决方案由燃料制备过程中的多阶段特征提供，所述过程的每一 阶段对应于各组分和混合物的最安全、最稳定和最均匀的相态，这是通过以下方式实现的： 改变工艺流的方向，将碳氢化合物组分和水的进入分开，混合碳氢化合物和水，其相态改 变。
[0018] 3.2.【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1显示了实现这种方法的算法的框图：
[0020] a)算法的概括的框图，b)具有基本元件的详细框图；图2-显示了三段热气发生器 装备的方案；图3显示了图2中的剖面I-I ;图4显示了图2中的剖面II-II ;图5显示了 喷射式混合器的方案；图6显示了工艺圆筒（technological cylinder)中的热温度制度，
[0021] 其中：1_排水容器；2-用于碳氢化合物组分SnH2n+2的排放容器；3-工作燃烧器； 4_启动燃烧器（startup burner) ;5_具有脉冲火花点火器的外部独立源发生器；6-涡轮 增压器单元；7-润轮发电机启动（turbo generator startup)的感应（销）加热器；8-喷 射式混合器；9-燃烧室；10-工艺圆筒的第一段；11-工艺圆筒的第二段；12-工艺圆筒的第 三段；13-点火区；燃烧和燃烧炬形成；14-燃烧炬的工艺燃烧区；15-用于形成工作炬的单 元，16-工作炬区，17-用于水供应的通过从排水容器（1)泵送入工艺圆筒的第一段（10)的 工艺管；18-用于碳氢化合物组分S nH2n+2的供应通过从排出碳氢化合物容器（2)泵入喷射式 混合器（8)的工艺管；19-用于蒸汽供应的通过从工艺圆筒的第一段（10)至喷射式混合器 (8)的工艺管；20-用于将蒸汽和碳氢化合物混合物从混合器（8)供应到工艺圆筒的第二段 (11)的工艺管；21-用于将蒸汽和碳氢化合物混合物从第二段（11)供应入工艺圆筒的第三 段（12)的工艺管；22-用于将蒸汽和碳氢化合物混合物从第二段（11)供应入启动燃烧器 (4)(以强制加热模式返回燃料）的工艺管；23-用于将燃料从工艺圆筒的第三段（12)供应 入工作燃烧器（3)(以自加热正常模式返回燃料）的工艺管；24-用于外部燃料消耗的燃料 卸载（fuel take-off)管；25-控制阀；26-装载入排出容器（1)的水的位置；27-装载入 排放容器（2)的碳氢化合物燃料的位置；28-控制头部和工艺管中的压力的装置；29-水蒸 汽产生；30-燃烧炬的形成；31-水蒸汽和碳氢化合物混合物的混合和加热；32-用于燃料 制备的蒸汽和碳氢化合物混合物的加热；33-热气发生器的内筒；34-热气发生器的外筒： a)_从工艺圆筒的第二段（11)供应蒸汽和碳氢化合物混合物用于运行过程，b)_从外部源 供给可燃混合气用于运行过程，c-供应碳氢化合物组分用于运行过程；35-工艺圆筒加热。
[0022] 3.3.区别特征
[0023] 在该方法中，与已知方法相比，通过多阶段工艺实现燃料制备，分别供入碳氢化合 物组分和水，通过燃烧炬工艺圆筒（分成分开的段）加热，分开的段的数量对应于燃烧制备 阶段的数量，在第一阶段引入水，并加热以形成水蒸气，在后面的阶段中引入碳氢化合物组 分，并与水蒸气混合，然后将水蒸气和碳氢化合物再加热到形成含氢气态燃料的温度，使所 述含氢气态燃料流返回点火区以确保燃烧炬燃烧。
[0024] 在形成含氢气态燃料的自加热过程的正常模式中，可以在至少三阶段中进行加 热，对应于在第一阶段中形成水蒸汽的过程，其中通过在〇. 3-0. 5兆帕的压力下泵送注入 水，并在500-550°C的温度下加热至形成水蒸气，对应于在第二阶段中混合和进一步加热的 过程，其中通过在0. 3-0. 5兆帕的压力下泵送注入碳氢化合物组分，并通过在0. 06-0. 25兆 帕的压力下注入水蒸气将其与水混合，水与碳氢化合物组分的比为10. 5:1至8:1，并将混 合物加热到l〇〇〇-ll〇〇°C的温度，在对应于制备含氢气态燃料的过程的第三阶段和随后阶 段中，将混合物加热到1300-2000°C的温度。
[0025] 在自加热点火的正常模式中，可以用燃烧炬和/或具有外部源-火花发生器的点 火脉冲装置，在1-2赫兹的频率下运行，返回用于点火和燃烧炬的形成的燃料流可以部分 引入储存和/或外部消耗，并可以用涡轮增压进行燃烧炬（firing torch)的形成和维护，以 改善燃烧质量和效率。
[0026] 以强制加热模式启动所述过程时，合理地，在0. 3-0. 5兆帕的压力下，以允许 正常工作体积的最大量的40-50 %的量，进行水的初步注入，改变水的相态，加热以形成 450-500°C的温度下的水蒸气，加热通过独立热源例如感应加热器来实现，并用具有独立火 花源的点火火花脉冲装置点燃蒸汽和碳氢化合物混合物或其他燃料组分，在40-50赫兹的 频率下操作。
[0027] 热气发生器装备制成单个装置，其具有复杂的多段组成，与已知的装置相比，其具 有复杂的组成，制成两个彼此嵌入的具有间隙的圆筒形管，形成工艺圆筒，分成分开段，段 数量对应于燃料混合物制备的阶段的数量，内管空间形成燃烧室，用于混合的装置制成具 有分别的用于水蒸气形式的水和碳氢化合物组分的入口，工艺圆筒的最后一段的出口通过 管道与燃烧室的入口相连，燃烧室中安装有燃烧系统，该系统包括具有点火的火花点燃脉 冲源的点火装置、工作燃烧器、启动燃烧器，在燃烧室出口安装有工作炬形成元件，作为收 缩单元，所述装备配备有燃料罐，实现用于水和碳氢化合物组分的分别密封的排放容器。
[0028] 所述装置可以制成三段工艺圆筒，其中第一段实现蒸发阶段，该段具有独立的感 应热源，第二段实现组分各混合和蒸汽和气体混合物加热的阶段，第三段为燃料混合物制 备提供额外的加热阶段，所述装备中的排水混合器通过管道与工艺圆筒的第一入口连接， 工艺圆筒的出口通过管道与喷射器的第一入口连接，喷射器的第二入口通过管道与碳氢化 合物组分的排放容器连接，喷射器出口通过管道与工艺圆筒的第二段连接，所述第二段通 过管道与工艺圆筒的第三段连接。
[0029] 形成用于制备燃料混合物的工艺圆筒的管的半径的比为
[0030] 0. 3>(r2/Rl)>0. 1 ；
[0031] 其中，R1-内管的外径，
[0032] r2_外管的内径，
[0033] 并且在涡轮燃烧器系统的入口安装有涡轮增压单元，合理的，在排出容器中保持 0. 3-0. 5兆帕的恒定过压。
[0034] 3.4.对所述方法和用于实施所述方法的装备的描述
[0035] 所述方法和装备以高温多阶段模式实现了 H20+SnH2n+2 = H2+C02。碳的热能在水气 中充分发挥。
[0036] 在碳的水气蒸发时，需要其自身资源的8%，水气主要由C0 (40-60 % )和 H2 (30-50 % )组成。
[0037] 水气的形成是复杂的、至少两阶段的过程，在500°C下，完全分解成氢气和二氧化 碳（C+2H 20 = 2H2+C02)，在1000-1200°C下，分解成氢气和一氧化碳（C02+C = 2C0)，如果水为 蒸汽状态，水蒸汽的分解（C+H20 = C0+H2)伴随着热量损失，并因此导致冷却，相对于这些， 为了补偿热损失，加热的第一阶段的温度必须高于最后阶段的温度，必须不低于1300°C。
[0038] 涡轮泵送（空气、氧气或其他附加的氧化剂）的存在提供了获得混合物燃烧温度 为1935°C的所谓的发生器气体，实际上没有输出对环境有害的组分的可能性。
[0039] 所述方法的本质显示在实施该方法的算法的框图（图1)中。该方法包括（图la) 燃烧炬的形成，并提供用于加热工艺圆筒（35)中的组分和混合物的工艺燃烧（30)。
[0040] 为实现所述方法和解决所提出的技术问题，设想用分开供应（水（1)和碳氢化合 物类组分（2))组件（17-18)分开工艺流。供应水是为了加热和汽化（29)用于随后的蒸汽 供应（19)，用于与碳氢化合物组分混合，并随后加热蒸汽和碳氢化合物混合物（31)，这在 该阶段可能已经是可燃的混合物。
[0041] 在启动系统（22)中使用该混合物。然后，将混合物送到处理（32)的下一个阶 段-用于额外的加热（20-21)。将得到的燃料送到用于点火（23)的系统入口，它也用于在 装备出口产生工作炬。
[0042] 在正常模式下加热各组分和混合物（35)借助工艺圆筒来进行，所述工艺圆筒具 有多个段，根据实施所述方法的阶段数而定。
[0043] 在0. 3-0. 5兆帕的恒定压力下，将各组分-水和碳氢化合物组分装入密封容器（1， 2)中，以确保它们通过泵送通过控制阀（25)不间断供应至系统中（图la，图2)。当组分排 出时装载可以周期性地尽快、，以及连续性地进行。
[0044] 因为三阶段过程是基础，在自加热的正常模式中的第一阶段中，水被加热至温度 为500-550°C的过热蒸汽，在强制加热的启动模式被加热至高达450-500°C的温度。
[0045] 引导所得到的过热蒸汽与碳氢化合物组分混合。通过喷射蒸汽（8)实现混合（图 5)。然后将蒸汽和碳氢化合物的混合物在工艺圆筒的第二段（11)中另外加热，在第三段 (12)中，将混合物加热至形成气态燃料的温度，其在自加热的正常模式下被引导返回（23) 用于点火和火焰炬的形成。
[0046] 在强制加热（7)的启动模式下，引导（22)蒸汽和碳氢化合物混合物，用于从第二 段（11)点火。
[0047] 所述装备包括实现所述方法的适当的元件，其为单个装置，其具有复杂的多段组 成，包括燃烧器系统（30)、燃烧室（9)、用于混合各组分的喷射单元（8)、脉冲点火单元（5)、 管道和启动系统，包括供应有可燃燃料（a，b，或c)的启动燃烧器（4)。
[0048] 该组成制成两个圆筒形管（33, 34)的一整体，该两个圆筒形管（33, 34)彼此嵌入， 具有间隙，形成工艺圆筒。
[0049] 工艺圆筒由燃烧炬加热，工艺圆筒划分成密封的隔离段（10,11，12)，段数对应于 燃料混合物制备过程的阶段数，第一段（10)对应于蒸发阶段，该段配备有用于实现启动过 程的独立感应热源（7)，第二段对应于各组分混合和加热水蒸气和气体混合物的阶段，包括 工艺圆筒的段11、喷射式混合器（8)，第三段（12)用于最终加热混合物和制备燃料。具有 内径rl的内筒腔（9)形成用于工艺圆筒加热的燃烧炬形成的燃烧室（13,14)，第二阶段的 用于混合的单元（8)制成具有用于蒸气形式的水（19)及碳氢化合物组分（18)分别进入的 入口的喷射器，所述装备配备有燃料罐，其制成单独的、密封的、用于水（1)和碳氢化合物 组分（2)的排放容器。排放容器（1)通过管道（17)连接到蒸发室（10)的工艺圆筒的第一 段的入口，蒸发室的出口通过管道连接到喷射器的第一入口，喷射器的第二入口连接到碳 氢化合物组分排放容器，所述喷射器出口通过管道连接到用于加热蒸汽和气体混合物的暗 室（camera) (11)，用于加热蒸汽和气体混合物的暗室（11)通过管道（21)与附加的加热室 (12)连接以形成燃料混合物，该室的出口通过管道（23)连接到燃烧室（9)的入口，在燃烧 室中安装有涡轮机燃烧器系统，该系统具有带有火花点燃脉冲源（5)的点火装置、工作燃 烧器（3)、启动燃烧器（4)，在燃烧室出口安装工作炬形成元件（16)，作为收缩单元（15)。
[0050] 形成用于制备燃料混合物的工艺圆筒的管的半径的比为
[0051] 0. 3>(r2/Rl)>0. 1 ；
[0052] 其中，R1-内管的外径，
[0053] r2_外管的内径，
[0054] 在涡轮燃烧器系统的入口安装有涡轮增压单元（6)，在排出容器（1.2)中保持 〇. 3-0. 5兆帕的恒定过压。图6的曲线图示出工艺圆筒中的温度与段的关系。
[0055] 4.实施方法的可能性
[0056] 下表示出了已知技术方案与本发明提出的方法的比较特性，这些特性证实，本发 明的方法的实施解决了所提出的技术问题：增强制备含氢气态燃料的过程的稳定性（显 著减少故障数），减少能量消耗和碳氢化合物组分排放（提高水/柴油燃料比的指示器 (indicator)的值）。
[0057] 表：实施所述方法的具体实施例和热气产生装备的技术特性，实现了 Arakelyan GG方法
[0058]
【权利要求】
1. 具有封闭循环的制备含氢气态燃料的多阶段方法，所述方法包括以强制加热模式的 启动过程，并以自加热的正常模式的实现过程，其包括在压力下通过泵送加入碳氢化合物 组分和水并加热、燃料返回到用于燃烧炬形成的点火区中，其特征在于，燃料的制备以多阶 段过程实现，将碳氢化合物组分和水分别加入由燃烧炬加热的在隔离的段上分开的工艺圆 筒，所述段的数量对应于燃料制备阶段的数量，在第一阶段引入水，并加热以形成水蒸气， 在后续的阶段中引入碳氢化合物组分并与水蒸气混合，然后将水蒸汽和碳氢化合物组分另 外加热至形成含氢气态燃料的温度，引导含氢气态燃料流返回到点火区中，以确保燃烧炬 燃烧。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在自加热过程的正常模式中，通过在三个 阶段中加热形成含氢气态燃料，在第一阶段中，通过在〇. 3-0. 5兆帕的压力下泵送引入水， 并将其加热以形成温度为500-550°C的水蒸气，在第二阶段中，通过在0. 3-0. 5兆帕的压力 下泵送将碳氢化合物组分引入混合器中，通过在0. 06-0. 25兆帕的压力下喷射，将这种组 分与水蒸气在混合器中混合，水与碳氢化合物组分的比为10. 5:1至8:1，并将混合物加热 至1000-1100°C的温度，在第三阶段，将混合物加热至1300-2000°C的温度。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在自加热的正常模式下，通过具有外部 源-火花发生器的点火脉冲单元进行点火，所述火花发生器在1-2赫兹的频率下运行。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在自加热的正常模式下，气态燃料流被分 离以返回到点火区中，以形成燃烧炬并用于储存和/或外部消耗。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过涡轮增压进行燃烧炬的形成和保持 的过程。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以强制加热模式的启动过程时，在 0. 3-0. 5兆帕的压力下，以正常工作体积的最大量的40-50%的量，进行水的初步泵送，进 行第一阶段的加热，直到形成450-500°C的水蒸气，由独立的热源例如感应加热器进行加 热。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以强制加热模式的启动过程时，用具有独 立火花源的点火火花脉冲装置点燃蒸汽和碳氢化合物混合物或其他燃料组分，所述点火火 花脉冲装置在40-50赫兹的频率下操作。
8. 用于具有封闭循环的制备含氢气态燃料的热气装备，其制成单个装置，具有复杂的 多段组成，包括燃烧器系统、燃烧室、用于各组分混合的单元、脉冲点火单元、管道和启动系 统，包括独立的感应加热源、具有可燃性燃料供应的启动燃烧器，其特征在于，所述复杂组 成制成整体，作为两个圆筒形管，彼此嵌入，具有间隙，从而形成工艺圆筒，分成分隔开的 段，从而段数量对应于燃料混合物制备过程的阶段的数量，内管空间形成燃烧室，用于混合 的单元制成具有用于作为蒸汽的水和碳氢化合物组分的分别的入口的喷射器，工艺圆筒的 最后一段的出口通过管道与燃烧室的入口相连，所述燃烧室中安装有燃烧系统，该系统包 括具有火花点燃脉冲源的点火装置、工作燃烧器、启动燃烧器，在燃烧室出口安装有工作炬 形成元件，作为收缩单元，所述装备配备有燃料罐，制成用于水和碳氢化合物组分的分别密 封的排放容器，工艺圆筒制成三段装置，从而段数量对应于燃料混合物制备过程的阶段的 数量，圆筒包括具有独立热感应源的第一段，该段对应于蒸发阶段，各组分混合和加热蒸汽 和混合物的第二阶段，用于燃料混合物制备的另外的加热阶段的第三阶段，排放水容器通 过管道连接到工艺圆筒的第一段的入口，其出口通过管道连接到喷射器的第一入口，喷射 器的第二入口通过管道连接到碳氢化合物组分的排放容器，喷射器出口通过管道连接到工 艺圆筒的第二段，通过管道连接到工艺圆筒的第三段。
9. 根据权利要求8所述的装备，其特征在于，形成用于制备燃料混合物的工艺圆筒的 管的半径的比为 0. 3>(r2/Rl)>0. 1 ； 其中，R1-内管的外径， r2-外管的内径。
10. 根据权利要求8所述的装备，特征在于，所述涡轮增压单元安装在所述燃烧器系统 的入口。
11. 根据权利要求8所述的装备，其特征在于，在所述排放容器中支持0. 3-0. 5兆帕的 恒定过压。
【文档编号】C01B3/02GK104125999SQ201280069720
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2012年11月16日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】加姆莱特·古尔甘诺维奇·阿拉克良, 阿图尔·加姆莱托维奇·阿拉克良, 格拉纳特·加姆莱托维奇·阿拉克良 申请人:封闭式股份公司“科学设计及生产建设联合公司‘戈朗特建筑’”