利用传热的逐步氧化制造技术

本文描述了用于氧化气体的系统和方法的实施方式。在一些实施方式中，反应室被配置成接收燃料气体并将所述气体维持在反应室内的温度，所述反应室内的温度在所述气体的自燃温度之上。所述反应室还可以被配置成将所述反应室内的反应温度维持在熄火温度之下。在一些实施方式中，可以使用来自氧化过程的热和产物气，例如，来驱动涡轮机、往复式发动机，和被注回至反应室。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利摘要】本文描述了用于氧化气体的系统和方法的实施方式。在一些实施方式中，反应室被配置成接收燃料气体并将所述气体维持在反应室内的温度，所述反应室内的温度在所述气体的自燃温度之上。所述反应室还可以被配置成将所述反应室内的反应温度维持在熄火温度之下。在一些实施方式中，可以使用来自氧化过程的热和产物气，例如，来驱动涡轮机、往复式发动机，和被注回至反应室。【专利说明】利用传热的逐步氧化背景在一些工业过程诸如发电、蒸汽发生和热驱动化学加工中，可以通过燃烧高能量含量(HEC)燃料诸如丙烷或天然气直接或间接地提供热量。来自垃圾填埋场和含挥发性有机化合物(VOC)的气体的其他来源的排放物被认为是污染物。这些废物流经常含有太少的燃料从而不能维持它们自身的燃烧。一些处置含VOC废物流的方法利用以下类型的热氧化器:(I)燃烧或补充-燃烧热氧化器，(2)催化热氧化器，(3)带有热量回收的氧化器，和(4)再生式热氧化器(RTO)。燃烧或补充-燃烧热氧化器可以包括燃烧器、滞留室、混合室和排气烟囱。图1-1A图示了这样一种构造，其中空气-燃料混合物6提供至燃烧器2以形成连续的火焰并且将废物流7引入至火焰中并且当热气体穿过混合室3和滞留室4时继续氧化。如果废物流7在可燃极限内，则其可以在燃料器2中代替空气-燃料混合物6直接燃烧。如果分开地提供废物流和燃烧器，则需要混合室3。滞留室4提供足够的时间以完成氧化化学反应。排气烟囱5将氧化产物传送至大气中。催化氧化器，如图1-1B中所示，通过保持低的氧化反应温度而避免了热力型NOx的形成。将含有VOC的废物流7提供至具有大内部表面积的涂覆以催化剂的催化反应室8。催化物质包括贵金属诸如钼、钯、和铱，以及对于某些V0C，氧化铜、钒和钴。废物流7中VOC的浓度必须足够低使得反应温度将不超过催化剂最大利用温度。废物流7典型地需要被加热至适合于催化反应性的特定温度范围。同流换热器9的使用，如图1-1C中所示，可以降低燃烧热氧化器和催化氧化器的运转成本。来自反应室I的废气(作为例子，可以是图1-1A或1-1B的系统的反应室)供应至高温同流换热器9以加热负载VOC的废物流7，如图1-1C中所示，或如果分开供应则加热单独的燃烧空气-燃料混合物，如图1-1A中所示。同流换热器9的使用可以减少或消除对用于将反应物加热至它们的氧化温度的补充燃料的需要。最后，RTO可以用来氧化V0C。在RTO中，热量储存在中间热沉材料(通常是陶瓷固体)上，用于在交替循环期间回收。该循环使用来自前面加热的流的热量以将负载VOC的废物流预先加热至较高的温度。如果温度足够高，则氧化将由于自燃而发生，如本公开中下面更详细讨论的那样。如果温度不够高，则可能需要来自另一燃料和空气源的补充燃烧。高温废气然后通过较冷的散热片传送来俘获能量。存在不同的方式以实现热交换材料的循环。图1-1D图示了一种使用两个再生式氧化器的系统。在图示的构造中，废物流7被引入至热的再生式氧化器#1。废物流当穿过再生式氧化器#1时被加热，由此在进口处开始利用氧化器#1逐渐地冷却所述热沉材料。在废物流7自燃后，热的废气从氧化器#1离开并被提供至氧化器#2的进口，由此将储存的热能在氧化器#2中的热沉材料中“再生”。氧化的废物流当穿过氧化器#2时冷却。当氧化器#2被重复加热时，该系统被重新配置使得来自废物流7的流被提供至氧化器#2的进口并且来自氧化器#2的废气被提供至氧化器#1的进口以使氧化器#1再生。工艺在两种构造之间循环使得之前在加热废物流7的同时冷却的氧化器被加热，且反之亦然。一些RTO设计利用了转动硬件以可变地改变循环之间的流动物流或在循环之间移动再生式氧化器。另一种方式是利用单个再生式氧化器，但对于每个循环反转流动方向。氧化器的一端将被预先加热，而另一端在氧化反应后俘获热量。流动方向的反转是必不可少的，因为在靠近进口的氧化器端部冷却至其可以不再将进入的废物流7加热至将引发反应的温度的点。概述在一些情况下，处置由一些垃圾填埋场形成的低能量含量(LEC)燃料，诸如甲烷，同时使废气中的不合乎需要的组分诸如一氧化碳(CO)和NOx最小化是有利的。在另一些情况下，提供来自HEC燃料诸如丙烷的热量以驱动工业过程或发电而不产生这些相同的不合乎需要的组分是合乎需要的。为了实现这些操作，由LEC和HEC燃料中的一种或两种形成的空气-燃料混合物必须达到足够高的温度以将燃料中的VOC和烃转变成二氧化碳(CO2)和水(H2O)同时将空气-燃料混合物的最大温度保持在将形成热力型NOx的温度之下。任何常规的开放-火焰燃烧过程是要被通过降低温度的氧化过程而减少NOx化合物的形成的过程替代的候选。还希望利用否则当LEC燃料通过被氧化以将VOC转变为CO2和H2O而被简单处置时浪费的能量。由燃气轮机驱动的现有发电系统的一个缺点是HEC燃料被燃烧以提供驱动涡轮机的热量。基本上“不”使用LEC燃料提供此热量并避免或减少购买燃料的成本将是有利的。在图1-1A至1-1D中的上述过程具有多种缺点。关于图1-1A的热氧化器，例如，如果需要补充燃料来提供所述空气-燃料混合物6，则对该过程的成本增加了燃料的成本。另外，燃烧器2中的反应温度足够高以形成热力型NOx，在本公开后面将更详细地讨论。催化剂可能具有与其用途相关的多种挑战。贵金属催化剂是稀少的且昂贵的。该过程要求使用多种方式中的任一种将废物流加热至特定的范围，包括如下面所述的热回收，但常常增加该过程的成本。催化剂可以由于如烧结、结垢或挥发的工艺而变得化学惰性。废燃料，诸如填埋气体，经常包含可能显著地缩短催化剂寿命的污染物。为了控制反应温度以避免挥发，将燃料组合物和工艺变量保持在预定的限值内，增加成本以监测和调整这些变量。同流换热器具有几个缺点。同流换热器是对热氧化系统的额外投资费用。同流换热器还向系统增加了压力下降，对流量传输装置，即，风扇增加了电力需求，其使废物流7和空气-燃料混合物6移动通过所述系统。如果同流换热器含有小的通道，它们可能经受来自各种废气成分的结垢和腐蚀。如果来自反应室的废气的温度在同流换热器的材料的最大工作温度之上，则需要额外的工艺设备在将废气弓I入至同流换热器之前冷却所述废气。再生式氧化器具有这样的缺点:循环之间流动路径的重新配置在高温阀门和管路或物理移动热的再生式氧化器方面要求显著的复杂性。重新配置还中断了工艺，需要一些系统用于在重新配置操作期间蓄积废物流7。本文公开的逐步氧化(GO)过程避免了与用于加工含有VOC的废物流的常规系统相关的缺点。GO过程，一旦通过启动过程，对LEC燃料操作，并且不需要额外的HEC燃料来支持氧化过程。GO过程不需要使用昂贵的催化剂，由此减少了需要的投资并避免了有毒催化剂的操作事故。公开的GO过程将由废物流的氧化产生的热量传递至进入的流中，由此避免逐渐冷却介质的问题，如在再生式氧化器中所见，并且在循环之间重新配置再生系统的同时，消除了昂贵的和潜在不可靠的阀门的需求以及对用于处置进入的废物流的储液器的需求。还存在一些情况，其中需要在使不合乎需要的NOx化合物和CO的形成最小化以及减少废气中未被燃烧的烃的同时利用HEC燃料。使用HEC燃料通过燃气轮机驱动的现有发电系统的缺点之一是燃烧过程在可能形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于氧化燃料的系统，包括：具有反应室的氧化器，所述反应室具有进口和出口，所述反应室被配置成通过所述进口接收包含可氧化燃料的气体，所述氧化器被配置成在不使用催化剂的条件下维持氧化过程；检测模块，所述检测模块检测何时发生下列中的至少一个：(a)所述反应室内的反应温度达到所述反应室内的所述燃料的熄火温度或(b)反应室进口温度达到自燃阈值；和校正模块，所述校正模块基于所述检测模块输出指令以改变下列中的至少一个：(i)从所述反应室移除热量或(ii)所述反应室的所述进口温度；其中所述校正模块被配置成下列中的至少一个：(i)将所述反应温度内的实际温度维持在所述熄火温度之下或(ii)将所述进口温度维持在所述燃料的所述自燃阈值之上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·阿姆斯壮，D·哈姆林，B·A·马斯洛夫，S·朗普，R·马丁，M·朔尼贝利，J·佩里，J·瓦茨，T·R·丹尼森，
申请(专利权)人：能源核心发电公司，
类型：发明
国别省市：美国;US