专利名称：以多操作模式操作燃料氧化器的方法和燃料氧化器系统的制作方法
以多操作模式操作燃料氧化器的方法和燃料氧化器系统相关申请的引用本申请要求于2008年12月8日提交的美国专利申请号12/330，151的优先权权益，其全部内容并入本文中。
背景技术：
本公开涉及氧化燃料。由填埋场或其它来源产生的甲烷或其它废燃料气可被用来给燃气轮机系统加燃料。在常规的燃气轮机系统中，当燃料被注入压缩空气中而被燃烧，从而加热并增加气体的能量。然后用将能量转化成动能的涡轮机，将能量从加热的气体中提取。动能可被用来驱动其它的设备，例如，发电机。在有些情况下，燃气轮机系统被临时关闭(例如，由于修理、维护或其它原因)，而源继续产生如果泄漏进入地球大气中可能有害的甲烷和/或其它气体。发明_既述燃料氧化器系统以至少两种操作模式操作。在第一种操作模式中，燃料在燃料氧化器系统的压缩机中被压缩，并且压缩的燃料在燃料氧化器系统的反应室中被氧化。在至少一种另外的操作模式中，燃料被引导绕过压缩机，并且绕过压缩机的燃料在反应室中被氧化。在一个一般的方面，以第一种操作模式操作燃料氧化器系统。在第一种操作模式中，包括来自燃料源的燃料的混合物在燃料氧化器系统的压缩机中被压缩；压缩混合物的燃料在燃料氧化器系统的反应室中被氧化；并且氧化的燃料被膨胀以产生旋转动能。以第二种操作模式操作该燃料氧化器系统。在第二种操作模式中，来自燃料源的燃料被引导绕过压缩机，并且绕过压缩机的燃料在反应室中被氧化。在一个一般的方面，燃料氧化器系统包括压缩机，其具有空气和燃料混合物入口和压缩混合物出口。压缩机在空气和燃料混合物入口和压缩混合物出口之间压缩空气和燃料混合物。燃料氧化器系统包括反应室，其接收来自压缩混合物出口的压缩混合物。反应室氧化压缩混合物的至少部分燃料。燃料氧化器系统包括阀系统，其接收来自燃料源的燃料，并通过引导燃料到压缩机的空气和燃料混合物入口或通过引导燃料绕过压缩机来将从燃料源接收的燃料引导到反应室中。实施可包括一个或多个以下特征。以第一种操作模式操作燃料氧化器系统包括基于旋转动能输出电能。以第二种操作模式操作燃料氧化器系统包括操作燃料氧化器系统作为火炬(flare)。以第二种操作模式操作燃料氧化器系统包括操作燃料氧化器系统作为热氧化器。燃料氧化器系统包括涡轮机，其接收来自反应室的氧化的燃料并将来自氧化混合物的热能转化为旋转运动。涡轮机包括涡轮机入口，涡轮机通过涡轮机入口接收来自反应室的氧化混合物，并且反应室适于在反应室中保持混合物的最大温度基本上在涡轮机的入口温度或以下。使氧化的燃料膨胀以产生旋转动能包括在涡轮机中使氧化的燃料膨胀以旋转涡轮机。氧化压缩混合物的燃料包括控制反应室中燃料的最高温度基本上在涡轮机的入口温度或以下。以第二种操作模式操作燃料氧化器系统包括预加热空气并将预加热的空气和绕过压缩机的燃料混合。氧化压缩混合物的燃料包括通过逐渐升高燃料的温度高于燃料的自燃温度引发氧化反应。氧化压缩混合物的燃料包括基本上不依赖于氧化催化剂或点燃源引发氧化反应。反应室接收并氧化通过阀系统引导绕过压缩机的燃料。燃料氧化器系统包括鼓风机，其将空气传送进入反应室中。燃料氧化器系统包括点火器，其引发绕过压缩机的燃料燃烧。反应室适于基本上不依赖于点火器和基本上不依赖于氧化催化剂引发绕过压缩机的燃料氧化。反应室适于基本上不依赖于点火器和基本上不依赖于氧化催化剂引发压缩混合物的燃料氧化。阀系统包括与燃料源成流体连通的阀入口、与压缩机的空气和燃料混合物入口成流体连通的第一阀出口和与反应室成流体连通并适于引导燃料绕过压缩机的第二阀出口。阀系统包括多个阀。在以下附图和说明书中阐述一种或多种实施的细节。其它特征根据说明书、附图和权利要求将是明显的。
图1是实例燃料氧化器系统的图。图2A图解了以涡轮机模式操作的图1的实例燃料氧化器系统。图2B图解了以火炬模式操作的图1的实例燃料氧化器系统。图2C图解了以热氧化器模式操作的图1的实例燃料氧化器系统。在各个附图中类似的参考符号指示类似的元件。发明详述图1是包括氧化燃料的反应室10的实例燃料氧化器系统100的图。可以不同的操作模式操作系统100。当以燃气轮机模式操作时，系统100在压缩机6中压缩空气/燃料混合物，引导压缩的空气/燃料混合物到反应室10，并且使用来自反应室10的氧化产物驱动涡轮机7。当以火炬模式或以热氧化器模式操作时，系统100引导燃料沿着绕开压缩机6 的燃料流路进入反应室10中。在火炬模式中，反应室10以火焰燃烧方法氧化燃料。在热氧化器模式中，反应室10以无火焰的氧化方法氧化燃料。图2A图解了以燃气轮机模式操作的系统100，图2B图解了以火炬模式操作的系统100，和图2C图解了以热氧化器模式操作的系统100。系统100能有效地利用废气(例如，产生动能和/或电能)，破坏废气和/ 或废气的有害成分(例如，VOCs)，和/或降低可能与废气体的燃烧相关的有害排放(例如， NOx)。例如，系统100能减少来自填埋场的甲烷气体排放和/或显著减少在一些常规系统中通过点燃废气造成的氮氧化物的排放。示例性系统100氧化接收自填埋场的燃料。填埋场放出填埋场气体，其包括甲烷气体、有机材料和/或对地球大气有潜在危害的其它成分。规章(例如，政府机构规章、填埋场规章、民间规章和其它规章)可要求在填埋场气体被排放到地球大气之前减少或消除填埋场气体组分的某些类型(例如，甲烷、VOCs、和/或其它)。在燃气轮机模式中，与电能输出相关，系统100可氧化有潜在危害的填埋场气体组分。当无法利用系统100产生电能时，系统100可以火炬模式或热氧化器模式操作以破坏有潜在危害的填埋场气体组分而不需要单独的燃烧系统或氧化室。系统100可使用单个反应室起到作为发电系统、火炬系统或热氧化器系统的作用。从而，系统100能降低破坏有潜在危害的填埋场气体相关的花费和/或硬件需求。而且，在某些情况下，系统100能降低排放到低于通过常规燃烧实现的排放。系统100包括燃料入口 1，其接收来自燃料源20的燃料。在图解的实例中，燃料源20是填埋场，并且燃料包括由在填埋场中有机材料分解产生的甲烷气体。与入口 1成流体流通的鼓风机2能产生从入口 1到燃料分配阀系统的定向燃料流，所述燃料分配阀系统包括第一阀4、第二阀15和/或第三阀30。在一些实施中，燃料分配阀系统包括不同数量的阀，例如1个、2个、4个或多个阀。燃料分配阀系统是可变的，以将燃料流通过阀4分配到气体混合器5、通过阀15分配到反应室10、通过阀30分配到鼓风机16，或这些的任何组合。阀4控制从鼓风机2到气体混合器5的燃料流。阀15控制从鼓风机2到反应室10的燃料流。阀30控制从鼓风机2到鼓风机16的燃料流。气体混合器5可将接收自燃料源20的燃料与接收自空气源(例如，从周围大气收集的)的空气混合。气体混合器5可产生具有特定的空气与燃料比率范围的空气/燃料混合物。压缩机6与气体混合器5成流体连通并能压缩接收自气体混合器5的空气/燃料混合物。压缩机6通过轴25机械地与涡轮机7连接。轴25还可与辅助系统例如发电机17连接。发电机17能将轴25的旋转运动转化成电能。同流换热器8与压缩机6、燃气轮机7、 反应室10和排气通道12a成流体连通。同流换热器8是热交换器，其能接收来自燃气轮机 7的废气并将来自所接收废气的热能转移到接收自压缩机6的压缩空气/燃料混合物。因而，同流换热器8能给予压缩空气/燃料混合物热量。止回阀9控制同流换热器8和反应室10之间的流动方向。阀9允许加热的和压缩的空气/燃料混合物从同流换热器8流入反应室10并阻止或者减少流体从反应室流入同流换热器8。鼓风机16提供了到反应室10的单独流。鼓风机16可接收来自空气源(例如，鼓风机16的空气，或另一种来源)的空气并产生进入反应室10的定向流体。鼓风机16还能接收来自燃料源20的燃料并提供到反应室10的空气和燃料的混合物的流体。在某些情况下，来自鼓风机16的流体通过换热器19加热。在某些情况下，来自鼓风机16的流体绕过换热器19。例如，阀26和27能引导流体到换热器19或绕过换热器19。换热器19通过阀 26与鼓风机16成流体连通、通过阀22和阀21与反应室10成流体连通、与废气通路12b成流体连通。换热器19能通过阀21接收来自反应室10的废气并将来自所接收废气的热能转移至接受自鼓风机16的空气。因而，换热器19能将热能给予在鼓风机16和反应室10 之间的气流。反应室10包括点火器18、吸气器21、多个入口和多个出口。点火器18可以是产生火花或火焰以点燃燃料的火花塞或另一点火源。在图解的实例中，吸气器23接收来自热交换器19的热空气并将热空气分散进入反应室10。在一些实施中，系统100被不同地配置，并且吸气器23接收来自鼓风机2的燃料并将燃料分散进入反应室10。在一些实施中， 反应室可包括圆柱形衬垫，其在反应室10内限定流路。在一些实施中，在反应室10内的流路通过反应室10另外的和/或不同的特征界定。反应室10可包括隔热耐火材料、吸热材料、绝热材料和/或其它材料。例如，衬垫可包括岩石(rock)、陶瓷和/或具有高热质的其它材料。在一些实施中，在反应室10中设置催化剂材料。催化剂材料能促进氧化反应的引发和/或完成。实例催化剂材料包括钼和其它。在某些情况下，在反应室10中没有设置催化剂材料。在一些实施中，反应室10能操作为名称为“氧化燃料”的美国专利申请序列号 12/050, 734中描述的实例反应室。
反应室10的每个入口和出口与通过入口或出口控制流体的阀相连接。例如，系统 100中的阀9、14、15、22和30以及其它阀能允许流体、阻止流体进入和/或流出反应室10 或控制流体进入和/或流出反应室10的速度。阀9控制从压缩机6进入反应室10的燃料流。阀15控制从分流器3进入反应室10的燃料流。阀22 (连同阀26和/或27—起)控制从鼓风机16进入反应室10的空气流。阀14控制离开反应室10到涡轮机7的废气流。 阀24控制从反应室10到排气通道12c的废气流。阀21控制从反应室10到换热器19的废气流。图2A、2B和2C图解了针对系统100的不同操作模式的各种构造的阀。图2A图解了以燃气轮机模式操作的实例燃料氧化器系统100，其中系统100氧化接收来自燃料源20的燃料以输出电能。在所示的燃气轮机模式中，阀4和阀14是打开的， 而阀15、阀21、阀22、阀24、阀26、阀27和阀30是关闭的。图2A中的箭头图解了在燃气轮机操作模式中的流动。燃料入口 1接收来自燃料源20的燃料。鼓风机2引导接收来自燃料入口 1的燃料通过阀4到气体混合器5。气体混合器5将燃料与收集自大气或不同来源的空气混合以产生空气/燃料混合物。压缩机6接收来自气体混合器5的空气/燃料混合物并压缩接收的混合物。同流换热器8接收来自压缩机6的压缩空气/燃料混合物并加热接收的混合物。反应室10通过止回阀9接收来自同流换热器8的加热的压缩空气/燃料混合物。当空气/燃料混合物沿着在反应室10中界定的流路流动时，燃料被氧化。通过基本上破坏所有燃料的无火焰逐渐氧化过程，燃料可被氧化。燃料可在足够低的温度下被氧化以减少或避免有害化合物例如氮氧化物的形成和/或排放。空气/燃料混合物流经反应室10。空气燃料混合物可吸收来自反应室10的内表面的热，结果，空气/燃料混合物的温度可随着混合物流经反应室10而逐渐升高。当空气/燃料混合物的温度达到或超过燃料的自燃温度时，燃料经历放热氧化反应。因而，氧化反应可不依赖于氧化催化剂材料或点火源而被引发。在某些情况下，催化剂材料可设置在反应室10中以有效地降低燃料的自燃温度。当燃料氧化时，放热反应可给予反应室10以热量，并且反应室10可向反应室10中流路的另一区域传递热能。通过反应室10转移的热能可被给予进入的燃料以帮助引发进入燃料氧化。反应室10可这样设计使在操作条件范围内(例如在最大流速和燃料浓度下)， 提供足够的停留时间和燃料温度以允许在空气/燃料混合物中的一些或所有燃料基本上被氧化完全。在某些情况下，可控制反应室10中的空气/燃料混合物的温度，以保持空气 /燃料混合物的最大温度基本上在涡轮机7的期望入口温度或以下。涡轮机7的期望入口温度可以是由涡轮机7的制造商推荐的温度、实现涡轮机7想要或期望输出的温度、或另一种温度。包括氧化产物的废气离开反应室10并通过阀14流入涡轮机7中。废气在涡轮机 7中膨胀，产生轴25和压缩机6的旋转运动。轴25的旋转还驱动发电机17。发电机17基于来自涡轮机7给予发电机17的动能(例如，来自涡轮机7通过轴25的旋转传递的动能) 产生电能。发电机17可输出电能到电气系统、能量储存设备、电网或另一种类型的系统。涡轮机7将膨胀的废气传递进入同流换热器8中。同流换热器8将来自废气的热能转移到接收自压缩机6的空气/燃料混合物。从同流换热器8中，废气通过废气流路12a离开系统 100。图2B图解了以火炬模式操作的图1的实例燃料氧化器系统，其中系统100破坏接收自燃料源20的燃料和/或气体的其它组分。系统100可以火炬模式操作，不输出电流。 当用于操作的系统100—个或多个元件无法使用时，系统100可以火炬模式操作。例如，当对压缩机6、涡轮机7、发电机17、同流换热器8和/或系统100的其它元件正在进行维护、 修理和/或其它类型作业时，火炬模式可用于破坏填埋场气体组分。火炬模式使用反应室 10以消除接收自燃料源20的VOCs和/或流体的其它组分。因而，火炬模式不需要单独的反应室用于操作。在所示的火炬模式中，阀4、阀14、阀21、阀22、阀26、阀27和阀30是关闭的，而阀15和阀24是打开的。图2B中的箭头图解了在火炬操作模式中的流动。燃料入口 1接收来自燃料源20 的燃料。鼓风机2引导接收来自燃料入口 1的燃料通过阀15到反应室10。鼓风机16可产生气流通过阀22进入反应室10中，和/或诱导的气流31可被接收进反应室10中。当鼓风机16诱导气流进入反应室中时，气流可以通过换热器19加热或气流可绕过换热器。诱导的气流31可通过吸气器23或通过其它类型的入口或设备被接收进入反应室。反应室10中的箭头图解了在火炬模式中通过反应室的燃料的实例流路。诱导的气流31被引入反应室10中。在火炬模式的一些实施中，燃料和/或气流被通过吸气器23 引入反应室。在反应室10中——或在某些情况下，在进入反应室10之前——空气和燃料混合以形成空气/燃料混合物。点火器18通过点燃空气/燃料混合物引发空气和燃料的火焰燃烧反应。作为火焰燃烧反应的结果，甲烷气体、VOCs和/或其它填埋场气体组分可被破坏。空气/燃料混合物通常以轴向方向流经反应室10的内部。来自火焰燃烧反应的废气通过阀24离开反应室10。在图解的火炬操作模式中，来自反应室10的废气可通过排气通路12c离开系统100。图2C图解了以热氧化器模式操作的图1的实例燃料氧化器系统，其中系统100破坏接收自燃料源20的燃料和/或气体的其它组分。系统100可以热氧化器模式操作，不输出电流。当系统100的一个或多个元件无法用于操作时，系统100可以热氧化器模式操作。 例如，当对压缩机6、涡轮机7、发电机17、同流换热器8和/或系统100的其它元件进行维护、修理和/或其它类型作业时，可使用热氧化器模式。热氧化器模式使用反应室10以消除VOCs和/或其它组分，同时减少与一些燃烧反应有关的副产物(例如，NOx，和/或其它) 的排放。因而，热氧化器模式不需要单独的反应室用于操作。在所示热氧化器模式中，阀4、 阀14、阀15、阀24和阀27是关闭的，而阀21、阀22、阀26和阀30是打开的。图2C中的箭头图解了在热氧化器操作模式中的流动。燃料入口 1接收来自燃料源20的燃料。鼓风机2引导接收自燃料入口 1的燃料通过阀30到鼓风机16。鼓风机16 产生空气/燃料混合物流通过阀22进入反应室10中。在所示热氧化器模式中，来自鼓风机16的气流流经阀26并在经过换热器19时接收热能。在热氧化器模式的一些实施中，来自鼓风机16的一些或全部的气流通过阀27绕过换热器19。图2C中的反应室10中的箭头图解了在热氧化器模式中通过反应室10的燃料的实例流路。在热氧化器模式的一些实施中，气流、燃料流和/或空气/燃料混合物流可通过吸气器23引入反应室10。空气和燃料可在反应室10中混合以形成空气/燃料混合物，或在一些实施中，空气和燃料在进入反应室10之前例如在鼓风机16中混合。燃料可被基本上破坏所有燃料的无火焰逐渐氧化过程氧化。燃料可在足够低的温度下被氧化以减少或避免有害化合物，例如氮氧化物的形成和/或排放。当空气/燃料混合物的温度达到或超过燃料的自燃温度时，燃料经历放热氧化反应。因而，氧化反应可不依赖于氧化催化剂材料或点火源被引发。在某些情况下，催化剂材料可设置在反应室10中以有效降低燃料的自燃温度。空气/燃料混合物通常以轴向方向通过反应室10的内部。来自无火焰氧化反应的废气通过阀21离开反应室10。在图解的热氧化器操作模式中，来自反应室10的废气可给予换热器19热能并通过废气通路12b离开系统100。 已经描述了许多实施方式。但是，应当理解，在不偏离本公开的范围内可作出各种修改。因此，其它实施方式在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种方法，其包括以第一操作模式操作燃料氧化器系统，其包括在压缩机中压缩包含来自燃料源的燃料的混合物；在反应室中氧化压缩的混合物的所述燃料；和使氧化的燃料膨胀以产生旋转动能；和以第二操作模式操作所述燃料氧化器系统，其包括引导来自所述燃料源的燃料绕过所述压缩机；和在所述反应室中氧化绕过所述压缩机的所述燃料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中以所述第一操作模式操作所述燃料氧化器系统还包括基于所述旋转动能输出电能。
3.根据权利要求1所述的方法，其中以所述第二操作模式操作所述燃料氧化器系统包括操作所述燃料氧化器系统作为火炬。
4.根据权利要求1所述的方法，其中以所述第二操作模式操作所述燃料氧化器系统包括操作所述燃料氧化器系统作为热氧化器。
5.根据权利要求1所述的方法，其中使氧化的燃料膨胀以产生旋转动能包括在涡轮机中使所述氧化的燃料膨胀以旋转所述涡轮机。
6.根据权利要求5所述的方法，其中氧化压缩的混合物的所述燃料包括在所述反应室中控制所述燃料的最高温度基本上在所述涡轮机的入口温度或以下。
7.根据权利要求1所述的方法，其中以所述第二种操作模式操作所述燃料氧化器系统还包括预加热空气；和将预加热的空气与绕过所述压缩机的所述燃料混合。
8.根据权利要求1所述的方法，其中氧化所述压缩的混合物的所述燃料包括通过逐渐升高所述燃料的温度高于燃料的自燃温度引发氧化反应。
9.根据权利要求1所述的方法，其中氧化所述压缩的混合物的所述燃料包括基本上不依赖于氧化催化剂或点火源引发氧化反应。
10.燃料氧化器系统，其包括压缩机，其具有空气和燃料混合物入口和压缩混合物出口，并在所述空气和燃料混合物入口和所述压缩混合物出口之间压缩空气和燃料混合物；反应室，其接收来自所述压缩混合物出口的所述压缩混合物并氧化所述压缩混合物的至少部分所述燃料；和阀系统，其通过引导所述燃料到所述压缩机的所述空气和燃料混合物入口或通过引导所述燃料绕过所述压缩机，接收来自燃料源的燃料并引导接收自所述燃料源的所述燃料到所述反应室。
11.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，其中所述反应室接收并氧化通过所述阀系统引导绕过所述压缩机的所述燃料。
12.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，还包括涡轮机，其接收来自所述反应室的氧化的燃料并将来自氧化的混合物的热能转化为旋转运动。
13.根据权利要求11所述的燃料氧化器系统，其中所述涡轮机包括涡轮机入口，所述涡轮机通过所述涡轮机入口接收来自所述反应室的氧化的混合物，并且所述反应室适于将反应室中混合物的最高温度基本上保持在所述涡轮机入口的温度或以下。
14.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，还包括将空气传送进入所述反应室的鼓风机。
15.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，所述反应室包括引发绕过所述压缩机的燃料燃烧的点火器。
16.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，其中所述反应室适于基本上不依赖于点火器和基本上不依赖于氧化催化剂引发绕过所述压缩机的燃料的氧化。
17.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，其中所述反应室适于基本上不依赖于点火器和基本上不依赖于氧化催化剂引发压缩的混合物的所述燃料氧化。
18.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，其中所述阀系统包括阀入口，其与所述燃料源成流体连通；第一阀出口，其与所述压缩机的空气和燃料混合物入口成流体连通； 和第二阀出口，其与反应室成流体连通并适于引导燃料绕过所述压缩机。
19.根据权利要求10所述的燃料氧化器系统，其中所述阀系统包括多个阀。
全文摘要
以第一操作模式操作的燃料氧化器系统(100)。在第一操作模式中，包括来自燃料源(20)的燃料的混合物在燃料氧化器系统(100)的压缩机(6)中被压缩；压缩混合物的燃料在燃料氧化器系统(100)的反应室(10)中被氧化；和使氧化的燃料膨胀以产生旋转动能。燃料氧化器系统(100)以第二操作模式操作。在第二操作模式中，来自燃料源(20)的燃料被引导绕过压缩机(6)，并且绕过压缩机(6)的燃料在反应室(10)中被氧化。
文档编号F02C9/40GK102301108SQ200980155514
公开日2011年12月28日 申请日期2009年12月1日 优先权日2008年12月8日
发明者E·普拉布 申请人:弗莱克斯能源有限公司