循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求在2012年8月30日提交的題為循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào)61/694，858的優(yōu)先權(quán)，其公開(kāi)內(nèi)容通過(guò)引用以其整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明整體涉及一種循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，并且更具體地涉及具有一體式氧發(fā)生、SC CO2(超臨界二氧化碳)熱回收和二氧化碳捕獲及凈化子系統(tǒng)的半封閉式循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004]常規(guī)的動(dòng)力系統(tǒng)，無(wú)論是內(nèi)部燃燒或外部燃燒，用空氣燃燒燃料并且一般將燃燒產(chǎn)物(廢氣/煙道氣)排放到空氣(或經(jīng)由水下接口排放到空氣)。這對(duì)于天然氣、汽油、柴油活塞發(fā)動(dòng)機(jī)是事實(shí)，并且對(duì)于燃?xì)鉁u輪機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)或者甚至基于蒸汽鍋爐的發(fā)電廠也是事實(shí)。雖然易于執(zhí)行，未處理的煙道氣到空氣的排放由于環(huán)境原因是不期望的。諸如SO2 ( 二氧化硫)、NOx (氮氧化物)、CO ( —氧化碳)、HC (未燃碳?xì)浠衔?以及最近的CO2(二氧化碳)的氣體被定義為污染物并被管制。在特殊用途的應(yīng)用中，特別是對(duì)于海底應(yīng)用，將系統(tǒng)排氣壓力聯(lián)系到環(huán)境壓力(升高的背壓)的需求可以顯著降低發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的效率。在其他特殊用途的應(yīng)用中，特別是在更高海拔處，將系統(tǒng)壓力聯(lián)系到環(huán)境壓力(降低的入口壓力)的需求可以顯著降低功率系數(shù)，并且還可影響效率。
[0005]其結(jié)果是，存在成為非排放和/或具有較少的來(lái)自局部環(huán)境壓力的不利影響的需求，并且在各種封閉式或半封閉式動(dòng)力系統(tǒng)上的現(xiàn)有工作已經(jīng)出現(xiàn)。從歷史上看(在二十世紀(jì)的第一部分((in the first part of the 1900’s))，這項(xiàng)工作主要涉及特殊用途的應(yīng)用。最近，它主要是關(guān)于提供更高的效率和/或有效地控制排放或甚至捕獲系統(tǒng)排放的能力，所述排放特別是C02。
[0006]開(kāi)發(fā)封閉式和半封閉式動(dòng)力系統(tǒng)的最強(qiáng)早期動(dòng)機(jī)已被聯(lián)系到在海底產(chǎn)生動(dòng)力。在2，884，912號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)了一種使用液氧操作活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)使用液體汽化熱冷凝產(chǎn)物的簡(jiǎn)單方法。由于這是一種海底應(yīng)用，沒(méi)有產(chǎn)物凈化或產(chǎn)生氧的任何討論。在3，134，228號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)了另一種明顯在海底的使用渦輪的半封閉式動(dòng)力系統(tǒng)。又一次，液氧(LOX)被帶上作為氧化劑。冷凝水被泵入并用作燃燒稀釋劑以控制溫度，以同樣的方式，水、氧和碳?xì)浠衔锉唤Y(jié)合在“蒸汽魚(yú)”(“steamfish”)魚(yú)雷中，諸如US Mk 16(在二戰(zhàn)后期引入)。在3，559，402號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中公開(kāi)了 0)2的液化和儲(chǔ)存。又一次，自帶(onboard)液氧的汽化被用來(lái)提供制冷。重要地，沒(méi)有作出在不同于正常大氣的條件下操作發(fā)動(dòng)機(jī)的任何努力。事實(shí)上，14psia(鎊每平方英寸絕對(duì)壓力)是用于C02/02流的再循環(huán)壓力。
[0007]在3，736，745號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中，“超臨界”封閉式循環(huán)渦輪系統(tǒng)被引入。此專(zhuān)利存在一些技術(shù)問(wèn)題，但它的目的是在深處以及在CO2和水產(chǎn)物兩者都作為液體一起凝結(jié)的足夠高的背壓下操作，而無(wú)需使用低溫氧。
[0008]在3，980，064號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中，日產(chǎn)(Nissan)發(fā)動(dòng)機(jī)提供了使用H2O2(雙氧水)作為氧化劑的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)或旋轉(zhuǎn)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)利的細(xì)節(jié)。這種系統(tǒng)包括廢氣再循環(huán)，但該專(zhuān)利主要是關(guān)于噴射器設(shè)計(jì)和燃燒多種燃料的能力。噴射器設(shè)計(jì)對(duì)于直接使用H2O2是至關(guān)重要的，因?yàn)榉纸饪稍谘h(huán)中不期望的點(diǎn)上發(fā)生。
[0009]在4，434，613號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中，通用電氣公司(General Electric Company)引入了用于包括CO2的“化學(xué)”產(chǎn)物生產(chǎn)的半封閉式循環(huán)燃?xì)鉁u輪機(jī)(布雷頓循環(huán)(BraytonCycle)) ο該專(zhuān)利顯然不是用于海底應(yīng)用，并且系統(tǒng)與低溫空氣分離單元的集成是包括在內(nèi)的。系統(tǒng)不在高背壓以及再循環(huán)廢氣(02、CO2和這里未提及的其他廢氣)下操作。這種氣體混合物的關(guān)鍵是模仿空氣的熱力學(xué)性質(zhì)，使得現(xiàn)有的入口壓力為14psia分子量為29 (空氣)的燃?xì)鉁u輪機(jī)的設(shè)計(jì)也可以使用。也作為GE的典型，所使用的是熱回收蒸汽發(fā)生器(Heat Recovery Steam Generator HRSG)，而不是回?zé)崞?。然而?，134，228 號(hào)美國(guó)專(zhuān)利沒(méi)有公開(kāi)與產(chǎn)物氣體凈化相關(guān)聯(lián)的任何細(xì)節(jié)或方法。在4，674，463號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中，考斯沃斯發(fā)動(dòng)機(jī)公司(Cosworth Engine company)重新引入了用于海底應(yīng)用的半封閉式循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)。改變氧濃度到低于21%的值的能力被用來(lái)限制在直接海水凝結(jié)過(guò)程中的氧損失。
[0010]在唐恩布雷頓(DunnBrayton)專(zhuān)利中，美國(guó)專(zhuān)利 7，926，275、7，926，276、7,937,930,7,951,339和8，156，726引入了封閉式(金屬燃料)和半封閉式(碳?xì)淙剂?布雷頓(燃?xì)鉁u輪機(jī))循環(huán)。這些專(zhuān)利明確地不在大氣壓力下，而是在高的封閉式循環(huán)壓力下(亞臨界或超臨界)。所討論的是惰性氣體工作流體、惰性氣體工作流體與CCV混合物以及僅C02。這些專(zhuān)利中的兩個(gè)提出了氣體凈化方法，但它與氣體產(chǎn)物無(wú)關(guān)，而是與從氣體凈化出任何金屬蒸氣(燃料)相關(guān)以避免在渦輪或回?zé)崞鲀?nèi)部鍍覆。由于這些專(zhuān)利是針對(duì)有高壓瓶裝氧或液氧的海底系統(tǒng)，未涉及氧產(chǎn)生。
[0011]在美國(guó)專(zhuān)利8，205，455中，GE提供了有化學(xué)計(jì)量(基于空氣)燃機(jī)和廢氣再循環(huán)的燃?xì)鉁u輪機(jī)的一種復(fù)雜布置。在這個(gè)系統(tǒng)中，N2 (氮)和0)2被再循環(huán)，并且剛剛夠的高壓空氣被用來(lái)支持燃燒-過(guò)量空氣的減少使得煙道氣更容易凈化用于其他應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中闡述并變得明顯。本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)在書(shū)面描述和權(quán)利要求書(shū)中以及從附圖中特別指出的所述設(shè)備、系統(tǒng)和方法實(shí)現(xiàn)并獲得。
[0013]為了實(shí)現(xiàn)這些和其他優(yōu)點(diǎn)并且根據(jù)本發(fā)明的目的，如所實(shí)施的，本發(fā)明在一個(gè)方面包括改進(jìn)的活塞發(fā)動(dòng)機(jī)半封閉式循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)。本發(fā)明的另一方面在于所述系統(tǒng)是緊湊的，能夠在高于環(huán)境排氣壓力下工作，并且在于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行、熱回收、氧產(chǎn)生和氣體凈化被以提高效率并降低資金成本的方式集成。預(yù)期的結(jié)果是在單獨(dú)發(fā)動(dòng)機(jī)的相同或更好的凈循環(huán)效率(燃料消耗率)下產(chǎn)生無(wú)排放動(dòng)力，并且還提供可銷(xiāo)售(管道規(guī)范)的加壓co2。
[0014]在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管中獨(dú)立地控制過(guò)量氧的量以及氧與稀釋劑比例的能力也是所需要的，并是所述設(shè)計(jì)的一部分；具體地，在比21%高得多的氧下操作的能力允許使用熱值非常低的燃料或燃料水漿，同時(shí)仍在發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)良好的燃燒。
[0015]本發(fā)明針對(duì)一種循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其包括，除其他外，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、水分離和冷卻單元、混合壓力容器和氧發(fā)生器。活塞發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力和廢氣。水冷卻和分離單元從活塞發(fā)動(dòng)機(jī)接收廢氣并冷卻，并且將水從廢氣中除去以創(chuàng)建CO2氣體供給。CO2氣體供給的至少一部分被提供到所述混合壓力容器，所述容器將CO2氣體供給與氧混合以創(chuàng)建要提供到活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體。氧發(fā)生器提供氧到混合壓力容器。
[0016]在某些實(shí)施例中，所述系統(tǒng)還包括從所述混合壓力容器接收工作流體并將所述工作流體提供到活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)?？稍O(shè)置從鼓風(fēng)機(jī)接受工作流體并將其提供給所述活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器。
[0017]優(yōu)選地，所述循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)還包括用于產(chǎn)生額外功率的熱回收單元。在某些結(jié)構(gòu)中，所述熱回收單元通過(guò)超臨界布雷頓CO2循環(huán)產(chǎn)生額外功率。
[0018]在某些結(jié)構(gòu)中可以設(shè)想的是，氧發(fā)生器包括第一和第二變壓吸附床(PressureSwing Adsorpt1n bed)。氧發(fā)生器可以經(jīng)由PSA床與活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械集成產(chǎn)生氧。
[0019]在本發(fā)明的某些結(jié)構(gòu)中，氧發(fā)生器是基于一體式分子篩的空氣分離單元?？蛇x地，氧發(fā)生器是基于膜的空氣分離單元或基于低溫的空氣分離單元。
[0020]可以進(jìn)一步設(shè)想的是，該系統(tǒng)可包括氣體凈化子系統(tǒng)，其從所述水冷卻和分離單元接收CO2氣體供給的一部分，并在所需壓力下提供調(diào)整好的CO2氣體。在本發(fā)明的實(shí)施例中，氣體凈化子系統(tǒng)是包括至少兩個(gè)變溫吸附(temperature swing adsorpt1n，TSA)床的變溫吸附系統(tǒng)。
[0021]還可以設(shè)想的是，所述系統(tǒng)可以包括廢熱回收系統(tǒng)和/或吸附式制冷機(jī)制冷系統(tǒng)。
[0022]優(yōu)選地，該系統(tǒng)是半封閉式系統(tǒng)。
[0023]本發(fā)明還針對(duì)一種循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，其包括，除其他元件外，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、水冷卻和分離單元、混合壓力容器、氧發(fā)生器和氣體凈化子系統(tǒng)。
[0024]活塞發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力以及提供給水冷卻和分離單元的廢氣，所述水冷卻和分離單元接收廢氣并冷卻，并從廢氣中除去水以創(chuàng)建CO2氣體供給?；旌蠅毫θ萜鲝乃鋮s和分離單元接收0)2氣體供給的至少一部分，并且將CO2氣體供給與氧混合以創(chuàng)建要提供到活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的工作流體。氧發(fā)生器提供要被用來(lái)創(chuàng)建工作流體的氧到混合壓力容器。氣體凈化子系統(tǒng)接收來(lái)自水冷卻和分離單元的CO2氣體供給的一部分，并在所需壓力下提供可用在其他工藝或應(yīng)用中的調(diào)整后的CO2氣體。
[0025]可以設(shè)想的是，這種系統(tǒng)可以包括從所述混合壓力容器接收工作流體并將所述工作流體提供到活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的鼓風(fēng)機(jī)。
[0026]該系統(tǒng)還可以包括從鼓風(fēng)機(jī)接受工作流體并將其提供給所述活塞發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器。熱回收單元也可以設(shè)置到系統(tǒng)以產(chǎn)生額外功率。
[0027]在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，所述氣體凈化子系統(tǒng)是變溫吸附系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少兩個(gè)變溫吸附(TSA)床，或者如果需要兩階段的污染物去除，所述系統(tǒng)包括TSA與變壓吸附或VPSA床的組合。
[0028]本發(fā)明還針對(duì)一種半封閉式循環(huán)活塞發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)，除其他元件外，活塞發(fā)動(dòng)機(jī)、水冷卻和分離單元、混合壓力容器、鼓風(fēng)機(jī)?；钊l(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力和廢氣。所述水冷