СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОКИСЛЕНИЯ ТОПЛИВА Российский патент 2014 года по МПК F02C9/40 

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области окисления топлива. Метан или другой отбросный горючий газ, выделяемый мусорными свалками или другими источниками, может использоваться в качестве топлива для газотурбинных систем. В известных газотурбинных системах топливо сгорает при его впрыскивании в сжатый воздух, благодаря чему происходит нагрев газа и увеличение его энергии. Затем энергия извлекается из нагретого газа турбиной, которая преобразует эту энергию в кинетическую. Кинетическая энергия может использоваться для привода другого устройства, например, генератора. В некоторых случаях газотурбинная система временно останавливается (например, для ремонта, технического обслуживания или по другим причинам), а источник продолжает производить метан и другие газы, которые могут оказаться опасными в случае их утечки в земную атмосферу.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Система окисления топлива согласно изобретению работает, по крайней мере, в двух рабочих режимах. В первом рабочем режиме топливо сжимается в компрессоре системы окисления топлива, и сжатое топливо окисляется в реакционной камере системы окисления топлива. По крайней мере, в одном дополнительном рабочем режиме топливо подается в обход компрессора, и это топливо, которое прошло в обход компрессора, окисляется в реакционной камере.

В общем аспекте настоящего изобретения система окисления топлива работает в первом рабочем режиме. В первом рабочем режиме смесь, содержащая топливо, поступившее из источника топлива, сжимается в компрессоре системы окисления топлива; топливо сжатой смеси окисляется в реакционное камере системы окисления топлива, и окисленное топливо расширяется, генерируя кинетическую энергию вращения. Система окисления топлива работает во втором рабочем режиме. Во втором рабочем режиме топливо из источника топлива подается в обход компрессора, и это топливо, которое прошло в обход компрессора, окисляется в реакционной камере.

В общем аспекте настоящего изобретения система окисления топлива содержит компрессор, в котором имеются впуск для воздушно-топливной смеси и выпуск для сжатой смеси. Компрессор сжимает воздушно-топливную смесь на участке между впуском для воздушно-топливной смеси и выпуском для сжатой смеси. Система окисления топлива содержит реакционную камеру, которая принимает сжатую смесь из выпуска для сжатой смеси. В реакционной камере окисляется, по крайней мере, часть топлива сжатой смеси. Система окисления топлива содержит клапанную систему, которая принимает топливо из источника топлива и подает топливо, принятое из источника топлива, в реакционную камеру или путем подачи топлива во впуск компрессора для воздушно-топливной смеси, или путем подачи топлива в обход компрессора.

Варианты осуществления настоящего изобретения имеют одно или несколько из следующих особенностей. Работа системы окисления топлива в первом рабочем режиме включает в себя производство электроэнергии на основе преобразования кинетической энергии вращения. Работа системы окисления топлива во втором рабочем режиме включает в себя работу системы окисления топлива в режиме пламенного сжигания. Работа системы окисления топлива во втором рабочем режиме включает в себя работу системы окисления топлива в режиме термического окисления. Система окисления топлива содержит турбину, которая принимает окисленное топливо из реакционной камеры и преобразует тепловую энергию окисленной смеси во вращательное движение. Турбина содержит впуск, через который в нее подается окисленная смесь из реакционной камеры, при этом реакционная камера сконструирована так, чтобы в ней поддерживалась максимальная температура смеси, в основном, не выше температуры смеси на впуске турбины. Процесс расширения окисленного топлива для генерирования кинетической энергии включает в себя расширение окисленного топлива в турбине для вращения турбины. Процесс окисления топлива сжатой смеси включает в себя регулирование максимальной температуры топлива в реакционной камере до значения, в основном, не выше температуры топлива на впуске турбины. Работа системы окисления топлива во втором рабочем режиме включает в себя предварительный нагрев воздуха и смешивание предварительно нагретого воздуха с топливом, которое прошло в обход компрессора. Процесс окисления топлива сжатой смеси включает в себя запуск реакции окисления путем постепенного повышения температуры топлива выше температуры самовоспламенения топлива. Процесс окисления топлива сжатой смеси включает в себя запуск реакции окисления, по существу, независимо от катализатора окисления или источника зажигания. Реакционная камера принимает и окисляет топливо, направленное клапанной системой в обход компрессора. Система окисления топлива содержит нагнетатель, который подает воздух в реакционную камеру. Система окисления топлива содержит воспламенитель, инициирующий сжигание топлива, которое поступило в обход компрессора. Реакционная камера приспособлена для запуска процесса окисления топлива, которое поступило в обход компрессора, по существу, независимо от воспламенителя и, по существу, независимо от катализатора окисления. Реакционная камера приспособлена для запуска процесса окисления топлива сжатой смеси, по существу, независимо от воспламенителя и, по существу, независимо от катализатора окисления. Клапанная система содержит клапанный впуск, связанный каналом текучей среды с источником топлива, первый клапанный выпуск, связанный каналом текучей среды с впуском компрессора для воздушно-топливной смеси, и второй клапанный выпуск, связанный каналом текучей среды с реакционной камерой и предназначенный для подачи топлива в обход компрессора. Клапанная система содержит множество клапанов.

Детали одного или нескольких вариантов осуществления настоящего изобретения изложены ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Другие особенности должны стать более понятными после изучения описания, чертежей и формулы изобретения.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На чертеже фиг.1 приведена примерная схема системы окисления топлива.

На чертеже фиг.2А приведена примерная схема системы окисления топлива с чертежа фиг.1, работающей в турбинном режиме.

На чертеже фиг.2В приведена примерная схема системы окисления топлива с чертежа фиг.1, работающей в режиме пламенного сжигания.

На чертеже фиг.2С приведена примерная схема системы окисления топлива с чертежа фиг.1, работающей в режиме термического окисления.

На разных чертежах одни и те же номера используются для обозначения сходных элементов.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На чертеже фиг.1 приведена примерная схема системы окисления топлива 100, содержащей реакционную камеру 10, в которой происходит окисление топлива. Система 100 может работать в различных режимах. При работе в газотурбинном режиме система 100 содержит воздушно-топливную смесь в компрессоре 6, подает сжатую воздушно-топливную смесь в реакционную камеру 10 и приводит во вращение турбину 7, используя продукт окисления из реакционной камеры 10. При работе в режиме пламенного сжигания или в режиме термического окисления система 100 подает топливо в реакционную камеру 10 вместе с потоком топлива, подаваемого в обход компрессора 6. В режиме пламенного сжигания реакционная камера 10 окисляет топливо в процессе его пламенного сжигания. В режиме термического окисления в реакционной камере 10 происходит окисление топлива в беспламенном процессе. Чертеж фиг.2А иллюстрирует систему 100, работающую в газотурбинном режиме, чертеж фиг.2 В иллюстрирует систему 100, работающую в режиме пламенного сжигания, а чертеж фиг.2С иллюстрирует систему 100, работающую в режиме термического окисления. Система 100 может эффективно утилизировать отбросные газы (например, чтобы генерировать кинетическую и/или электрическую энергию), уничтожать отбросные газы и/или опасные компоненты отбросных газов (такие как летучие органические соединения), и/или уменьшить нежелательные выбросы (например, оксиды азота), которые могут быть связаны со сжиганием отбросных газов. Например, система 100 может уменьшить выделение газа метана из мусорных свалок и/или значительно уменьшить выделение оксидов азота при сжигании отбросных газов в пламени в некоторых известных системах.

В приведенной в качестве примера системе 100 окисляется топливо, полученное из мусорной свалки. Мусорная свалка выделяет биогаз, содержащий газ метан, органические вещества и/или другие компоненты, которые являются потенциально опасными для земной атмосферы. Нормативные документы (например, нормативные документы правительственных агентств, нормативные документы по захоронению отходов (частные нормы и пр.) могут содержать требования о том, что должно быть снижено содержание определенных видов компонентов (или они вообще должны быть уничтожены) биогаза (например, метана, органических летучих веществ и/или других) перед выпуском биогаза в земную атмосферу. В газотурбинном режиме система 100 вместе с производством электроэнергии может окислять потенциально опасные компоненты биогаза. Когда система 100 не работает в режиме генерирования электроэнергии, она может работать в режиме пламенного сжигания или в режиме термического окисления, позволяющем уничтожать потенциально опасные компоненты биогаза, не требуя отдельной системы сжигания или камеры окисления. В системе 100 для работы ее в качестве системы для производства электроэнергии, системы пламенного сжигания или системы термического окисления может использоваться одна реакционная камера. Таким образом, система 100 может уменьшить затраты и/или требования к оборудованию, связанные с уничтожением потенциально опасных газов. Кроме того, в некоторых случаях система 100 может уменьшить выделения до значений ниже тех, что сопровождают работу в обычном режиме пламенного сжигания.

Система 100 содержит топливный впуск 1, в который поступает топливо от источника топлива 20. В иллюстрируемом примере источником топлива 20 является мусорная свалка, а в состав топлива входит газ метан, генерируемый при разложении органических материалов мусорной свалки. Нагнетатель 2, соединенный каналом текучей среды с впуском 1, может создавать направленный поток топлива из впуска 1 в клапанную топливную распределительную систему, содержащую первый клапан 4, второй клапан 15, и/или третий клапан 30. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения клапанная топливная распределительная система содержит разное количество клапанов, например, один, два, четыре или больше. Конфигурацию капанной топливной распределительной системы можно изменять, что позволяет распределять поток топлива или в газовый смеситель 5 через клапан 4, или в реакционную камеру через клапан 15, или в нагнетатель 16 через клапан 30, или использовать любую комбинацию указанных вариантов. Клапан 4 управляет потоком топлива из нагнетателя 2 в газовый смеситель 5. Клапан 15 управляет потоком топлива из нагнетателя 2 в реакционную камеру 10. Клапан 30 управляет потоком топлива из нагнетателя 2 в нагнетатель 16.

Газовый смеситель 5 может смешивать топливо, поступающее из источника топлива 20, с воздухом, поступающим из источника воздуха (например, из окружающей атмосферы). Газовый смеситель 5 может создавать воздушно-топливную смесь с значением отношения воздуха к топливу в заданном диапазоне. Компрессор 6 соединен каналом текучей среды с газовым смесителем 5 и может сжимать воздушно-топливную смесь, поступающую из газового смесителя 5. Компрессор 6 механически соединен с турбиной 7 валом 25. Вал 25 может также быть соединен с дополнительной системой, например генератором 17. Генератор 17 может преобразовывать вращение вала 25 в электрическую энергию. Рекуператор 8 соединен каналами текучей среды с компрессором 6, газовой турбиной 7, реакционной камерой 10, и выпускной магистралью 12а. Рекуператор 8 представляет собой теплообменник, который может принимать отработавший газ из газовой турбины 7 и передавать тепловую энергию от принятого отработавшего газа сжатой воздушно-топливной смеси, поступившую из компрессора 6. Таким образом, рекуператор 8 может отдавать тепловую энергию сжатой воздушно-топливной смеси. Обратный клапан 9 управляет распределением потока между рекуператором 8 и реакционной камерой 10. Клапан 9 обеспечивает подачу нагретой и сжатой воздушно-топливной смеси из рекуператора 8 в реакционную камеру 10 и предотвращает или уменьшает поток текучей среды в рекуператор 8 из реакционной камеры 10.

Нагнетатель 16 создает отдельный поток, направленный в реакционную камеру 10. Нагнетатель 16 может принимать воздух из источника воздуха (например, из атмосферной среды нагнетателя 16 или другого источника) и создавать поток, направленный в реакционную камеру 10. Нагнетатель 16 может также принимать топливо из источника топлива 20 и создавать поток топлива, направленный в реакционную камеру 10. В некоторых случаях поток от, нагнетателя 16 нагревается в теплообменнике 19. В некоторых случаях поток от нагнетателя 16 обходит теплообменник 19. Например, клапаны 26 и 27 могут направлять поток в теплообменник 19 или в обход теплообменника 19. Теплообменник 19 соединен каналом текучей среды с нагнетателем 16 через клапан 26, с реакционной камерой 10 - через клапаны 22 и 21, и с выпускной магистралью 12b. Теплообменник 19 может принимать отработавший газ из реакционной камеры 10 через клапан 21 и передавать тепловую энергию из принятого отработавшего газа воздуху, принятому из нагнетателя 16. Таким образом, теплообменник 19 может отдавать тепловую энергию потоку воздуха между нагнетателем 16 и реакционной камерой 10.

Реакционная камера 10 содержит воспламенитель 18, всасывающее устройство 21, несколько впусков и выпусков. Воспламенитель 18 может быть свечой зажигания или другим средством зажигания, которой создает искру или пламя для поджига топлива. В иллюстрируемом примере всасывающее устройство 23 принимает нагретый воздух из теплообменника 19 и подает нагретый воздух в реакционную камеру 10. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения система 100 конфигурируется по-разному, и всасывающее устройство 23 принимает топливо из нагнетателя 2 и подает топливо в реакционную камеру 10. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реакционная камера может содержать цилиндрический вкладыш, который определяет путь потока внутри реакционной камеры 10. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реакционная камера 10 обладает дополнительными и/или отличающимися особенностями. Реакционная камера 10 может содержать изолирующий огнеупорный материал, теплопоглощающий материал, теплоизолирующий материал и/или другие материалы. Например, вкладыш может содержать каменные, керамические и/или другие материалы, обладающие высокой тепловой массой. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения в реакционной камере 10 находится каталитические материалы. Каталитические материалы могут способствовать запуску и/или окончанию реакции окисления. Примерами каталитических материалов могут быть платина и др. В некоторых случаях в реакционной камере 10 каталитические материалы отсутствуют. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения реакционная камера 10 может работать как образец реакционной камеры, описанный в заявке на патент США, серийный номер 12/050,734, озаглавленной "Окисление топлива".

Каждый впуск и выпуск реакционной камеры 10 соединен с клапаном, который регулирует поток через впуск или выпуск. Например, клапаны 9, 14, 15, 21, 22 и 30, а также другие 5 клапанов в системе 100 могут открыть путь для потока, закрыть путь для потока или регулировать скорость потока в реакционную камеру 10 и/или из нее. Клапан 9 регулирует поток топлива из компрессора 6 в реакционную камеру 10. Клапан 15 регулирует поток топлива из отклоняющего устройства 3 в реакционную камеру 10. Клапан 22 (вместе с клапанами 26 и/или 27) регулирует поток газов из нагнетателя 16 в реакционную камеру 10. Клапан 14 регулирует поток газов, выходящих из реакционной камеры 10 в турбину 7. Клапан 24 регулирует поток газов, выходящих из реакционной камеры 10 в выпускную магистраль 12 с.Клапан 21 регулирует поток газов, выходящих из реакционной камеры 10 в теплообменник 19. На чертежах фиг.2А, 2В и 2С иллюстрируются различные конфигурации подключения клапанов для различных режимов работы системы 100.

Чертеж фиг.2А иллюстрирует пример системы окисления топлива 100, работающей в газотурбинном режиме, где система 100, чтобы выработать электроэнергию, окисляет топливо, поступающее из источника топлива 20. В иллюстрируемом газотурбинном режиме клапаны 4 и 14 открыты, а клапаны 15, 21, 22, 24, 26, 27 и 30 - закрыты. Стрелки на чертеже фиг.2А показывают поток в газотурбинном режиме работы. В топливный впуск 1 поступает топливо из источника топлива 20. Нагнетатель 2 направляет поступившее топливо из впуска 1 в газовый смеситель 5 через клапан 4. Газовый смеситель 5 смешивает топливо с воздухом, полученным из атмосферы или из другого источника, для создания воздушно-топливной смеси. Компрессор 6 принимает воздушно-топливную смесь из смесителя 5 и сжимает ее. Рекуператор 8 принимает сжатую воздушно-топливную смесь из компрессора 6 и нагревает ее. Реакционная камера 10 принимает нагретую и сжатую воздушно-топливную смесь из рекуператора 8 через обратный клапан 9.

Топливо окисляется по мере того, как воздушно-топливная смесь протекает по каналу внутри реакционной камеры 10, Топливо может окисляться в беспламенном процессе последовательного окисления, которое, в котором, по существу, уничтожается все топливо. Топливо может окисляться при температуре, достаточно низкой, чтобы уменьшить или предотвратить образование и/или выделение опасных веществ, например оксидов азота. Воздушно-топливная смесь проходит через реакционную камеру 10. Воздушно-топливная смесь может поглощать тепло от внутренней поверхности реакционной камеры 10, и, в результате, температура воздушно-топливной смеси может постепенно увеличиваться по мере протекания смеси через реакционную камеру 10. Когда температура воздушно-топливной смеси достигает температуры самовоспламенения топлива или превышает ее, топливо подвергается экзотермической реакции окисления. Таким образом, реакция окисления может быть запущена независимо от катализатора окисления или источника воспламенения. В некоторых случаях в реакционную камере 10 может помещаться каталитический материал, который значительно снижает температуру автовоспламенения топлива. При окислении топлива теплота экзотермической реакции может воздействовать на реакционную камеру 10, которая может передать тепловую энергию в другую область канала потока в реакционной камере 10. Тепловая энергия, передаваемая через реакционную камеру 10, может быть передана входящему топливу, что облегчает запуск процесса окисления входящего топлива. Реакционная камера 10 может быть сконструирована так, чтобы в определенном диапазоне рабочих условий (например, при максимальной скорости потока и концентрации топлива), будут достаточные время выдержки и температура топлива, чтобы, по существу, все топливо воздушно-топливной смеси успело полностью окислиться. В некоторых случаях температура воздушно-топливной смеси в реакционной камере 10 может регулироваться так, чтобы поддерживалась максимальная температура воздушно-топливной смеси не выше заданной температуры на входе турбины 7. Заданная температура на впуске турбины 7 может представлять собой температуру, рекомендованную производителем турбины 7, температуру, которая соответствует температуре, предполагаемой или заданной для выхода турбины 7, или другой температуре.

Отработавший газ, содержащий продукт окисления, выходит из реакционной камеры 10 и далее попадает в турбину 7 через клапан 14. Отработавший газ расширяется в турбине 7, приводя во вращение вал 25 и в действие компрессор 6. Вращение вала 25 также приводит в действие генератор 17. Генератор 17 генерирует электроэнергию, преобразуя кинетическую энергию, переданную генератору 17 турбиной 7 (например, кинетическую энергию, передаваемую с турбины 7 вращением вала 25). Генератор 17 может выдавать электроэнергию в электрическую систему, накопитель электроэнергии, электрическую сеть или систему другого типа. Расширенный отработавший газ передается из турбины 7 в реуператор 8. Рекуператор 8 передает тепловую энергию отработавшего газа воздушно-топливной смеси, поступившей из компрессора 6. Из рекуператора 8 отработавший газ выходит из системы 100 через выпускную магистраль 12а.

Чертеж фиг.2В иллюстрирует пример системы окисления топлива с чертежа фиг.1, работающей в режиме пламенного сжигания, где система 100 уничтожает топливо и/или другие компоненты газа, поступающего из источника топлива 20. Кроме производства электроэнергии система 100 может работать в режиме пламенного сжигания. Система 100 может работать в режиме пламенного сжигания, когда один или несколько компонентов системы 100 не работают. Например, режим пламенного сжигания может использоваться для уничтожения опасных компонентов газа при техническом обслуживании, ремонте и/или других работах, выполняемых на компрессоре 6, турбине 7, генераторе 17, рекуператоре 8 и/или других компонентах системы 100. В режиме пламенного сжигания реакционная камера 10 используется для уничтожения органических летучих соединений и/или других компонентов текучих сред, принимаемых из источника топлива 20. Таким образом, режим пламенного сжигания не требует для работы отдельной реакционной камеры. В иллюстрируемом режиме пламенного сжигания клапаны 4, 14, 21, 22, 26, 27 и 30 закрыты, а клапаны 15 и 24 - открыты.

Стрелки на чертеже фиг.2В показывают поток при работе системы в режиме пламенного сжигания. В топливный впуск 1 поступает топливо из источника топлива 20. Нагнетатель 2 направляет топливо, поступившее из топливного впуска 1, в реакционную камеру 10 через клапан 15. Нагнетатель 16 может создавать поток воздух и направлять его в реакционную камеру 10 через клапан 22, и/или засасываемый воздух 31 может подаваться в реакционную камеру 10. Когда нагнетатель 16 засасывает воздух в реакционную камеру, соответствующий воздушный поток может нагреваться в теплообменнике 19 или проходить в обход теплообменника. Поток засасываемого воздуха 31 может поступать в реакционную камеру через всасывающее устройство 23 или впуск или устройство другого типа.

Стрелки в реакционной камере 10 показывают примерный путь потока топлива через реакционную камеру 10 в режиме пламенного сжигания. Поток засосанного воздуха 31 подается в реакционную камеру 10. В некоторых вариантах осуществления режима пламенного сжигания топливо и/или поток воздуха подается в реакционную камеру через всасывающее устройство 23. Для создания воздушно-топливной смеси воздух и топливо смешиваются в реакционной камере 10 или в некоторых случаях - перед подачей в реакционную камеру 10. Воспламенитель 18 запускает реакцию пламенного сжигания воздушно-топливной смеси путем ее поджога. Газ метан, органические летучие вещества и/или другие компоненты биогаза могут быть уничтожены в результате реакции пламенного сжигания. Воздушно-топливная смесь течет, в основном, в осевом направлении через внутреннюю часть реакционной камеры 10. Отработавший газ от реакции пламенного сжигания выходит из реакционной камеры 10 через клапан 24. При работе системы в иллюстрируемом режиме пламенного сжигания отработавший газ из реакционной камеры 10 может выводиться из системы 100 через выпускную магистраль 12с.

Чертеж фиг.2С иллюстрирует пример системы окисления топлива с чертежа фиг.1, работающей в режиме термического окисления, где система 100 уничтожает топливо и/или другие компоненты газа, поступающего из источника топлива 20. Кроме производства электроэнергии система 100 может работать в режиме термического окисления. Система 100 может работать в режиме термического окисления, когда один или несколько компонентов системы 100 не работают. Например, режим термического окисления может использоваться при техническом обслуживании, ремонте и/или других работах, выполняемых на компрессоре 6, турбине 7, генераторе 17, рекуператоре 8 и/или других компонентах системы 100. В режиме термического окисления реакционная камера 10 используется для уничтожения органических летучих соединений и/или других компонентов, и в то же время уменьшается выделение побочных продуктов (например, оксидов азота и/или других), связанных с некоторыми реакциями сжигания. Таким образом, режим термического окисления не требует для работы отдельной реакционной камеры. В иллюстрируемом режиме термического окисления клапаны 4, 14, 15, 24 и 27 закрыты, а клапаны 21, 22, 26 и 30 - открыты.

Стрелки на чертеже фиг.2С показывают поток при работе системы в режиме термического окисления. В топливный впуск 1 поступает топливо из источника топлива 20. Нагнетатель 2 направляет топливо, поступающее из топливного впуска 1, в нагнетатель 16 через клапан 30. Нагнетатель 16 создает поток воздушно-топливной смеси и направляет его в реакционную камеру 10 через клапан 22. В демонстрируемом режиме термического окисления воздушный поток из нагнетателя 16 течет через клапан 26 и нагревается, проходя через теплообменник 19. В некоторых вариантах осуществления режима термического окисления некоторые или все потоки из нагнетателя 16 подаются в обход теплообменника 19 через клапан 27.

Стрелки в реакционной камере 10 на чертеже фиг.2С показывают примерный путь потока топлива через реакционную камеру 10 в режиме термического окисления. В некоторых вариантах осуществления режима термического окисления поток воздуха, поток топлива и/или поток воздушно-топливной смеси может подаваться в реакционную камеру 10 через всасывающее устройство 23. Для создания воздушно-топливной смеси воздух и топливо могут смешиваться в реакционной камере 10, или в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения воздух и топливо смешиваются перед подачей в реакционную камеру 10, например, в нагнетателе 16. Топливо может окисляться в процессе последовательного беспламенного окисления, в котором уничтожается, по существу, все топливо. Топливо может окисляться при температуре, достаточно низкой, чтобы уменьшить или предотвратить образование и/или выделение опасных веществ, например оксидов азота. Когда температура воздушно-топливной смеси достигает температуры автовоспламенения топлива или превышает ее, топливо подвергается экзотермической реакции окисления. Таким образом, реакция окисления может быть запущена независимо от катализатора окисления или источника воспламенения. В некоторых случаях в реакционную камеру 10 может помещаться каталитический материал, который значительно снижает температуру автовоспламенения топлива. Воздушно-топливная смесь течет, в основном, в осевом направлении через внутреннюю часть реакционной камеры 10. Отработавший газ от реакции беспламенного окисления выходит из реакционной камеры 10 через клапан 21. В иллюстрируемом режиме термического окисления отработавший газ из реакционной камеры 10 может отдавать тепловую энергию теплообменнику 19 и выводиться из системы 100 через выпускную магистраль 12b.

Таким образом, был описан ряд вариантов осуществления настоящего изобретения. Однако необходимо иметь ввиду, что возможны различные модификации, не выходящие за пределы настоящего изобретения. Соответственно, другие варианты осуществления настоящего изобретения входят в объем изобретения, определенный приведенной ниже формулой изобретения.

Изобретение относится к энергетике. Способ окисления топлива включает в себя несколько этапов. В первом рабочем режиме смесь, содержащая топливо, поступившее из источника топлива, сжимается в компрессоре системы окисления топлива; сжатое топливо окисляется в реакционной камере системы окисления топлива; и окисленное топливо расширяется для генерирования кинетической энергии вращения. Во втором рабочем режиме топливо из источника топлива подается в обход компрессора, и топливо, которое прошло в обход компрессора, окисляется в реакционной камере. Также представлено устройство для осуществления способа. Изобретение позволяет принимать топливо из источника топлива и подавать топливо, принятое из источника топлива, в реакционную камеру, или во впуск компрессора для воздушно-топливной смеси, или путем подачи топлива в обход компрессора через теплообменник, нагреваемый потоком газов, выходящих из реакционной камеры. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ окисления топлива, включающий в себя следующие этапы: окисление топлива в первом рабочем режиме, включающем в себя:
сжатие в компрессоре смеси, содержащей топливо, поступающей из источника топлива;
окисление сжатой смеси, содержащей топливо, в реакционной камере; и
расширение окисленного топлива для генерирования кинетической энергии вращения; и
работу системы окисления топлива во втором рабочем режиме, включающем в себя:
подачу топлива из источника топлива в обход компрессора через теплообменник, нагреваемый потоком газов, выходящих из реакционной камеры; и
окисление в реакционной камере топлива, прошедшего в обход компрессора.

2. Способ по п.1, в котором первый рабочий режим дополнительно включает в себя производство электроэнергии на основе преобразования кинетической энергии вращения.

3. Способ по п.1, в котором работа системы окисления топлива во втором рабочем режиме включает в себя окисление топлива в режиме пламенного сжигания.

4. Способ по п.1, в котором работа системы окисления топлива во втором рабочем режиме включает в себя окисление топлива в режиме термического окисления.

5. Способ по п.1, в котором расширение окисленного топлива для генерирования кинетической энергии включает в себя расширение окисленного топлива в турбине для ее вращения.

6. Способ по п.5, в котором окисление топлива сжатой смеси включает в себя регулирование максимальной температуры топлива в реакционной камере до значения, в основном, не выше температуры топлива на впуске турбины.

7. Способ по п.1, в котором работа системы окисления топлива во втором рабочем режиме дополнительно включает в себя:
предварительный нагрев воздуха; и
смешивание предварительно нагретого воздуха с топливом, прошедшего в обход компрессора.

8. Способ по п.1, в котором окисление топлива сжатой смеси включает в себя запуск реакции окисления путем постепенного повышения температуры топлива выше температуры самовоспламенения топлива.

9. Способ по п.1, в котором окисление топлива сжатой смеси включает в себя запуск реакции окисления, независимо от катализатора окисления или источника зажигания.

10. Система окисления топлива, содержащая:
компрессор, снабженный впуском для воздушно-топливной смеси и выпуском для сжатой смеси, который сжимает воздушно-топливную смесь на участке между впуском для воздушно-топливной смеси и выпуском для сжатой смеси;
реакционную камеру, которая принимает сжатую смесь из выпуска для сжатой смеси и окисляет, по крайней мере, часть топлива сжатой смеси; и клапанную систему, которая принимает топливо из источника топлива и подает топливо, принимаемое из источника топлива, в реакционную камеру или путем подачи топлива во впуск для воздушно-топливной смеси компрессора, или путем подачи топлива в обход компрессора и получает тепло потока газов, выходящих из реакционной камеры.

11. Система окисления топлива по п.10, в которой реакционная камера принимает и окисляет топливо, подаваемое клапанной системой в обход компрессора.

12. Система окисления топлива по п.10, дополнительно содержащая турбину, которая принимает окисленное топливо из реакционной камеры и преобразует тепловую энергию окисленной смеси во вращательное движение.

13. Система окисления топлива по п.11, в которой турбина содержит впуск, через который в нее подается окисленная смесь из реакционной камеры, при этом реакционная камера выполнена так, чтобы в ней поддерживалась максимальная температура смеси, в основном, не выше температуры смеси на впуске турбины.

14. Система окисления топлива по п.10, дополнительно содержащая нагнетатель, который подает воздух в реакционную камеру.

15. Система окисления топлива по п.10, в которой реакционная камера содержит воспламенитель, запускающий процесс сжигания топлива, поступающего в обход компрессора.

16. Система окисления топлива по п.10, в которой реакционная камера приспособлена для запуска процесса окисления топлива, поступающего в обход компрессора, независимо от воспламенителя и независимо от катализатора окисления.

17. Система окисления топлива по п.10, в которой реакционная камера приспособлена для запуска процесса окисления топлива сжатой смеси независимо от воспламенителя и независимо от катализатора окисления.

18. Система окисления топлива по п.10, в которой клапанная система содержит клапанный впуск, связанный каналом текучей среды с источником топлива, первый клапанный выпуск, связанный каналом текучей среды с впуском компрессора для воздушно-топливной смеси, и второй клапанный выпуск, связанный каналом текучей среды с реакционной камерой и предназначенный для подачи топлива в обход компрессора.

19. Система окисления топлива по п.10, в которой клапанная система содержит множество клапанов.