循环活塞发动机动力系统的利记博彩app
【专利说明】循环活塞发动机动力系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求在2012年8月30日提交的题为循环活塞发动机动力系统的美国临时专利申请序列号61/694，858的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
[0003]本发明整体涉及一种循环活塞发动机动力系统，并且更具体地涉及具有一体式氧发生、SC CO2(超临界二氧化碳)热回收和二氧化碳捕获及净化子系统的半封闭式循环活塞发动机动力系统。
【背景技术】
[0004]常规的动力系统，无论是内部燃烧或外部燃烧，用空气燃烧燃料并且一般将燃烧产物(废气/烟道气)排放到空气(或经由水下接口排放到空气)。这对于天然气、汽油、柴油活塞发动机是事实，并且对于燃气涡轮机、喷气发动机或者甚至基于蒸汽锅炉的发电厂也是事实。虽然易于执行，未处理的烟道气到空气的排放由于环境原因是不期望的。诸如SO2 ( 二氧化硫)、NOx (氮氧化物)、CO ( —氧化碳)、HC (未燃碳氢化合物)以及最近的CO2(二氧化碳)的气体被定义为污染物并被管制。在特殊用途的应用中，特别是对于海底应用，将系统排气压力联系到环境压力(升高的背压)的需求可以显著降低发动机循环的效率。在其他特殊用途的应用中，特别是在更高海拔处，将系统压力联系到环境压力(降低的入口压力)的需求可以显著降低功率系数，并且还可影响效率。
[0005]其结果是，存在成为非排放和/或具有较少的来自局部环境压力的不利影响的需求，并且在各种封闭式或半封闭式动力系统上的现有工作已经出现。从历史上看(在二十世纪的第一部分((in the first part of the 1900’s))，这项工作主要涉及特殊用途的应用。最近，它主要是关于提供更高的效率和/或有效地控制排放或甚至捕获系统排放的能力，所述排放特别是C02。
[0006]开发封闭式和半封闭式动力系统的最强早期动机已被联系到在海底产生动力。在2，884，912号美国专利中公开了一种使用液氧操作活塞发动机，同时使用液体汽化热冷凝产物的简单方法。由于这是一种海底应用，没有产物净化或产生氧的任何讨论。在3，134，228号美国专利中公开了另一种明显在海底的使用涡轮的半封闭式动力系统。又一次，液氧(LOX)被带上作为氧化剂。冷凝水被泵入并用作燃烧稀释剂以控制温度，以同样的方式，水、氧和碳氢化合物被结合在“蒸汽鱼”(“steamfish”)鱼雷中，诸如US Mk 16(在二战后期引入)。在3，559，402号美国专利中公开了 0)2的液化和储存。又一次，自带(onboard)液氧的汽化被用来提供制冷。重要地，没有作出在不同于正常大气的条件下操作发动机的任何努力。事实上，14psia(镑每平方英寸绝对压力)是用于C02/02流的再循环压力。
[0007]在3，736，745号美国专利中，“超临界”封闭式循环涡轮系统被引入。此专利存在一些技术问题，但它的目的是在深处以及在CO2和水产物两者都作为液体一起凝结的足够高的背压下操作，而无需使用低温氧。
[0008]在3，980，064号美国专利中，日产(Nissan)发动机提供了使用H2O2(双氧水)作为氧化剂的活塞发动机或旋转式活塞发动机专利的细节。这种系统包括废气再循环，但该专利主要是关于喷射器设计和燃烧多种燃料的能力。喷射器设计对于直接使用H2O2是至关重要的，因为分解可在循环中不期望的点上发生。
[0009]在4，434，613号美国专利中，通用电气公司(General Electric Company)引入了用于包括CO2的“化学”产物生产的半封闭式循环燃气涡轮机(布雷顿循环(BraytonCycle)) ο该专利显然不是用于海底应用，并且系统与低温空气分离单元的集成是包括在内的。系统不在高背压以及再循环废气(02、CO2和这里未提及的其他废气)下操作。这种气体混合物的关键是模仿空气的热力学性质，使得现有的入口压力为14psia分子量为29 (空气)的燃气涡轮机的设计也可以使用。也作为GE的典型，所使用的是热回收蒸汽发生器(Heat Recovery Steam Generator HRSG)，而不是回热器。然而，3，134，228 号美国专利没有公开与产物气体净化相关联的任何细节或方法。在4，674，463号美国专利中，考斯沃斯发动机公司(Cosworth Engine company)重新引入了用于海底应用的半封闭式循环活塞发动机。改变氧浓度到低于21%的值的能力被用来限制在直接海水凝结过程中的氧损失。
[0010]在唐恩布雷顿(DunnBrayton)专利中，美国专利 7，926，275、7，926，276、7,937,930,7,951,339和8，156，726引入了封闭式(金属燃料)和半封闭式(碳氢燃料)布雷顿(燃气涡轮机)循环。这些专利明确地不在大气压力下，而是在高的封闭式循环压力下(亚临界或超临界)。所讨论的是惰性气体工作流体、惰性气体工作流体与CCV混合物以及仅C02。这些专利中的两个提出了气体净化方法，但它与气体产物无关，而是与从气体净化出任何金属蒸气(燃料)相关以避免在涡轮或回热器内部镀覆。由于这些专利是针对有高压瓶装氧或液氧的海底系统，未涉及氧产生。
[0011]在美国专利8，205，455中，GE提供了有化学计量(基于空气)燃机和废气再循环的燃气涡轮机的一种复杂布置。在这个系统中，N2 (氮)和0)2被再循环，并且刚刚够的高压空气被用来支持燃烧-过量空气的减少使得烟道气更容易净化用于其他应用。
【发明内容】
[0012]本发明的目的和优点将在下面的描述中阐述并变得明显。本发明的其他优点将通过在书面描述和权利要求书中以及从附图中特别指出的所述设备、系统和方法实现并获得。
[0013]为了实现这些和其他优点并且根据本发明的目的，如所实施的，本发明在一个方面包括改进的活塞发动机半封闭式循环动力系统。本发明的另一方面在于所述系统是紧凑的，能够在高于环境排气压力下工作，并且在于发动机运行、热回收、氧产生和气体净化被以提高效率并降低资金成本的方式集成。预期的结果是在单独发动机的相同或更好的净循环效率(燃料消耗率)下产生无排放动力，并且还提供可销售(管道规范)的加压co2。
[0014]在发动机进气歧管中独立地控制过量氧的量以及氧与稀释剂比例的能力也是所需要的，并是所述设计的一部分；具体地，在比21%高得多的氧下操作的能力允许使用热值非常低的燃料或燃料水浆，同时仍在发动机中实现良好的燃烧。
[0015]本发明针对一种循环活塞发动机动力系统，其包括，除其他外，活塞发动机、水分离和冷却单元、混合压力容器和氧发生器。活塞发动机产生动力和废气。水冷却和分离单元从活塞发动机接收废气并冷却，并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给。CO2气体供给的至少一部分被提供到所述混合压力容器，所述容器将CO2气体供给与氧混合以创建要提供到活塞发动机的工作流体。氧发生器提供氧到混合压力容器。
[0016]在某些实施例中，所述系统还包括从所述混合压力容器接收工作流体并将所述工作流体提供到活塞发动机的鼓风机。可设置从鼓风机接受工作流体并将其提供给所述活塞发动机的涡轮增压器。
[0017]优选地，所述循环活塞发动机动力系统还包括用于产生额外功率的热回收单元。在某些结构中，所述热回收单元通过超临界布雷顿CO2循环产生额外功率。
[0018]在某些结构中可以设想的是，氧发生器包括第一和第二变压吸附床(PressureSwing Adsorpt1n bed)。氧发生器可以经由PSA床与活塞发动机的机械集成产生氧。
[0019]在本发明的某些结构中，氧发生器是基于一体式分子筛的空气分离单元。可选地，氧发生器是基于膜的空气分离单元或基于低温的空气分离单元。
[0020]可以进一步设想的是，该系统可包括气体净化子系统，其从所述水冷却和分离单元接收CO2气体供给的一部分，并在所需压力下提供调整好的CO2气体。在本发明的实施例中，气体净化子系统是包括至少两个变温吸附(temperature swing adsorpt1n，TSA)床的变温吸附系统。
[0021]还可以设想的是，所述系统可以包括废热回收系统和/或吸附式制冷机制冷系统。
[0022]优选地，该系统是半封闭式系统。
[0023]本发明还针对一种循环活塞发动机动力系统，其包括，除其他元件外，活塞发动机、水冷却和分离单元、混合压力容器、氧发生器和气体净化子系统。
[0024]活塞发动机产生动力以及提供给水冷却和分离单元的废气，所述水冷却和分离单元接收废气并冷却，并从废气中除去水以创建CO2气体供给。混合压力容器从水冷却和分离单元接收0)2气体供给的至少一部分，并且将CO2气体供给与氧混合以创建要提供到活塞发动机的工作流体。氧发生器提供要被用来创建工作流体的氧到混合压力容器。气体净化子系统接收来自水冷却和分离单元的CO2气体供给的一部分，并在所需压力下提供可用在其他工艺或应用中的调整后的CO2气体。
[0025]可以设想的是，这种系统可以包括从所述混合压力容器接收工作流体并将所述工作流体提供到活塞发动机的鼓风机。
[0026]该系统还可以包括从鼓风机接受工作流体并将其提供给所述活塞发动机的涡轮增压器。热回收单元也可以设置到系统以产生额外功率。
[0027]在本发明的某些实施例中，所述气体净化子系统是变温吸附系统，该系统包括至少两个变温吸附(TSA)床，或者如果需要两阶段的污染物去除，所述系统包括TSA与变压吸附或VPSA床的组合。
[0028]本发明还针对一种半封闭式循环活塞发动机动力系统，除其他元件外，活塞发动机、水冷却和分离单元、混合压力容器、鼓风机。活塞发动机产生动力和废气。所述水冷