全能量燃料轉化系統(tǒng)的方法和設備的制作方法

文檔序號：5190028閱讀：304來源：國知局

專利名稱：全能量燃料轉化系統(tǒng)的方法和設備的制作方法
方法和i殳備本分案申請U于申請?zhí)枮?7181618.2，申請曰為1997年12月23 日，發(fā)明名稱為"全能量燃料轉化系統(tǒng)的方法和設備"的中國專利申請的分案申請一， _ ,石油化學>^ ?，F已進行了許多嘗試來改善動力供應系統(tǒng)的效率以便降低燃料消耗/ 動力產出的比值，并減少燃燒產物造成的環(huán)境污染。這些嘗試的一部分包括燃氣輪機葉片冷卻、復合循環(huán)熱回收以及濕空氣渦輪(HAT)循環(huán)。例如，美國專利US 4829763揭示了一種具有飽和器的間冷回熱循環(huán)，該飽和器向壓氣機的排出空氣中加入大量的濕氣從而使燃燒室進口工質中含有20~40%的水汽。該水汽加入到渦輪排氣中，同時間冷降低了壓氣機所需的功，結果達到更高的比功。在用于燃燒燃料從而驅動渦輪的壓縮空氣燃燒之前，在多級逆流飽和器中通過上述水汽把它冷卻然后潤濕。在間冷過程中和潤濕之前從該壓縮空氣排出少量熱能。與復合循環(huán)、蒸汽噴射循環(huán)、間冷回熱循環(huán)和其它基于潤濕的工藝相比，HAT循環(huán)的熱效率高。HAT循環(huán)要求高達30大氣壓的超高空氣壓力和高達2800F的更高渦輪進口溫度以便改善整體裝置的熱效率。Day和Rao描述了作為基于煤氣化產生動力方法的另一個系統(tǒng)，稱為組合氣化濕空氣渦輪(IGHAT)，據認為它是HAT循環(huán)的一種改進，該系統(tǒng)能提供至少與組合氣化復合循環(huán)(IGCC)相比擬的高效率和低排放量，但沒有通常與IGCC系統(tǒng)相連的高資金^。 IGHAT所節(jié)約資金的大部分是由于HAT循環(huán)能通過飽和器以一種有效的方式利用來自氣化冷卻水的低能熱能，而在IGCC中則必須通過相對昂貴的廢熱鍋爐從高溫高壓蒸汽形態(tài)的原煤氣體中回收盡可能多的熱能。節(jié)約資金的另一個原因是該循環(huán)不需要蒸汽輪機冷凝器。進而，假定在低的火焰溫度下能達到適宜的燃燒，則預計與燃燒空氣混合的大量水蒸汽可以把NOx排放量降低到很低的水平。Harvey等人描述了一種通過排氣循環(huán)降低燃燒不可逆性的工藝。該工藝沒有底部循環(huán)(bottomimg cycle),類似于一個具有間冷、再熱和回熱器的燃氣輪機。該回熱器的作用是一個重整器(reformer),在這里燃料被來自再循環(huán)渦輪排氣的熱能所裂化和部分氧化。該排氣含有氧氣，因而被用作一種氧氣載體。在每級渦輪之前，空氣被噴射到含有已重整燃料和再循環(huán)排氣的蒸汽工質中，從而接著被燃燒。排氣內的水汽在每一級后的系列水冷冷凝器中被部分液化；通過噴射水達到間冷。Harvey 等人的分析表明了用于燃料轉化的重整，但所得到的收益受到重整器內扭點溫度的限制。Harvey等人計劃了進一步研究在低于2300F的渦輪進口溫度下他們所提議的構造對效率的影響，該溫度在他們的分析中大約是無渦輪葉片冷卻的高限。為了把渦輪進口溫度控制在可接受的冶金極限(現為2600 - 2800F) 內，燃氣輪機設計者已借助于過量的燃燒空氣、稀釋劑例如在HAT或簡單蒸汽噴射中的蒸汽、水噴射或者壓氣機間冷。當前冶金學者正在尋求開發(fā)能耐甚至更高溫度的陶瓷部件或涂層。本發(fā)明通過渦輪排氣再循環(huán) 達到渦輪進口溫度控制，從而達到高的系統(tǒng)循環(huán)效率。通過火箭發(fā)動機反應器的整體性和去除復合循環(huán)設備及其相關的降低效率的系統(tǒng)設施可以節(jié)約資金。在處理蒸汽輪機的排氣方面，該發(fā)明利用了排氣中的大部分潛熱從而降低了冷卻水量，否則需要更多的冷卻水以便把蒸汽冷凝為鍋爐進水。因而本發(fā)明的一個目的是提供一種使用傳統(tǒng)渦輪進口溫度而沒有稀釋劑噴射或者間冷的、比現有方法具有改善效率的利用燃料產生動力的方法。本發(fā)明的另一個目的是提供一種在低基建成本下以一種比現有技術方法更靈活、有效和低污染的方式利用燃料產生動力的設備。本發(fā)明也可作為一種熱解反應系統(tǒng)進行中溫傳統(tǒng)熱解或者高溫全熱解。Raniere等人的美國專利4724272和Hertzberg等人的美國專利 5300216指出，必須在對于沖擊類型和沖擊位置來說精確的駐留時間下完成跨音速工質的加熱和冷卻。烴和蒸汽兩者被加熱并在熱解之前流過單獨的超音速噴管。Hertzberg進一步指出，在淬冷后可以使裂化氣流過一5個渦輪以便能量回收和進一步的冷卻。本發(fā)明也可以進行復合燃料轉化變換和熱解。Kamm等人的美國專利 4136015和4134824提出了一種用于熱裂化烴的工藝和一種用于部分氧化和熱裂化原油進料的組合工藝。從重油的部分氧化得到的氫氣促進了產物選擇性。所選擇的適中時間-溫度裂化條件造成產生大量的液態(tài)產物和焦油，在他們的工藝中和下游的工藝中一定很難處理這些物質。因而本發(fā)明的一個目的是提供在一種在近似全能量守恒構造中在適中或高溫度和壓力下單獨熱解和水熱解碳素物質或與燃料轉化變換一起進行碳素物質的熱解和水熱解的一種方法，從而達到近似全進料轉化。本發(fā)明的另一個目的是提供在一種近似全能量守恒構造中在適中或高的溫度和壓力下單獨熱解和水熱解碳素物質或與燃料轉化變換一起進行碳素物質的熱解和水熱解的一種設備，從而達到近似全進料轉化。通過本發(fā)明可以達到在下文的描述中更明顯的這些目的和其它目的。本發(fā)明一個方面包括產生動力的方法，包括提供一個適于產生軸功的渦輪，所說的渦輪具有一個燃燒室；并提供一個具有噴管和壓氣機裝置的火箭發(fā)動機；把燃料和氧化劑給送到該火箭發(fā)動機和該火箭發(fā)動機壓氣機裝置；把碳素物質、水和/或蒸汽給送到火箭發(fā)動機噴管；把該火箭發(fā)動機噴管的排氣處理成渦輪用燃料；把渦輪所用的所說燃料和氧化劑引入到渦輪燃燒室以產生燃燒產物二氧化碳和水；所說的燃燒產物流過渦輪；把渦輪熱排氣的相當部分再循環(huán)到火箭發(fā)動機壓氣機裝置；進一步把火箭發(fā)動機壓氣機裝置的熱排氣再循環(huán)到火箭發(fā)動機噴管；任選地進入到所說噴管下游的一個或多個次級入口內；并且任選地作為一種壓縮工質用于其它用途；控制渦輪進口溫度。在另一個方面，本發(fā)明包括利用燃料產生動力的設備，包括一個具有燃燒室的渦輪；一個具有噴管和壓氣機裝置的火箭發(fā)動機；把碳素物質、水和/或蒸汽給送到火箭發(fā)動機噴管的裝置；把燃料和氧化劑給送到該火箭發(fā)動機和該火箭發(fā)動機壓氣機裝置的裝置；把該火箭發(fā)動機噴管的排氣處理成渦輪燃燒室用燃料的裝置；把渦輪所用的所說燃料和氧化劑引入到渦輪燃燒室以產生燃燒產物二氧化碳和水的裝置；把渦輪熱排氣的相當部分再循環(huán)到火箭發(fā)動機壓氣機裝置的裝置；進一步把火箭發(fā)動機壓氣機裝置的熱排氣再循環(huán)到火箭發(fā)動機噴管的裝置；任選地進入到所說噴管下游處的一個或多個次級入口內；并且任選地作為一種壓縮工質用于其它用途；控制渦輪進口溫度。本發(fā)明的另一個方面是產生動力的一種替代工藝，包括提供一個適于產生軸功的蒸汽渦輪；并提供一個具有噴管和壓氣機裝置的火箭發(fā)動機；把燃料和氧化劑給送到該火箭發(fā)動機；把碳素物質、水和/或蒸汽給送到火箭發(fā)動機噴管；把該火箭發(fā)動機噴管的排氣處理成一個鍋爐所用的燃料和用于一個次級火箭發(fā)動機的燃料；煮沸所說鍋爐內的水以產生水汽；利用所得的水汽驅動所說的蒸汽渦輪；用水淬冷渦輪排出的蒸汽；把已冷卻蒸汽和水的混合物再循環(huán)到火箭發(fā)動機噴管；并且把該次級火箭發(fā)動機的排氣轉化成燃料產物。圖l是一個火箭發(fā)動機動力源的示意圖，包括一個火箭發(fā)動機、一個火箭發(fā)動機壓氣機裝置、一個守恒能量反應器和一種分配裝置。圖2是一個火箭發(fā)動機動力源流向一個膨脹渦輪的示意圖，該膨脹渦輪的排氣通過一個原動M再壓縮以便A氣機排氣的大部分被有效地再循環(huán)到一個守恒能量^JL器。圖3是一個火箭發(fā)動機動力源流向一個膨脹渦輪的示意圖，該膨脹渦輪是一個現有燃氣輪機的一部分從而有效地利用其相連的壓氣機。圖4是一個火箭發(fā)動機動力源流向散置的三個膨脹渦輪系列的示意圖，這三個膨脹渦輪具有單獨的燃燒室，各燃燒室具有從火箭發(fā)動機壓氣機裝置供給的獨立的氣化劑供應。圖5是一個火箭發(fā)動機動力源與一個燃料電池、一個次級守恒能量反應器和一個膨脹渦輪組合在一起以便優(yōu)化動力輸送的基本負栽和/或峰值負栽的示意圖。圖6是一個火箭發(fā)動機動力源與一個鍋爐組合在一起并且使用兩級燃料變換的示意圖。圖7是具有熱工質延伸部以進一步改善系統(tǒng)效率的一個火箭發(fā)動機動力源和一個鍋爐的示意圖。圖8是在復合工藝中用于熱解和燃料轉化以便產生乙烯和合成氣的兩個火箭發(fā)動機動力源的示意困。本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細描述產生動力的工藝包括提供一個適于產生軸功的渦輪，所說的渦輪具有一個燃燒室；并提供一個具有噴管和壓氣機裝置的火箭發(fā)動機；把燃料和氧化劑給送到該火箭發(fā)動機； M素物質、水和/或蒸汽給送到火箭發(fā)動機噴管；把該火箭發(fā)動機噴管的排氣處理成渦輪燃燒室用燃料；把所說的渦輪用燃料引入到渦輪燃燒室；燃燒產物流過渦輪；把渦輪熱排氣的相當部分再循環(huán)到火箭發(fā)動機壓氣機裝置；進一步把火箭發(fā)動機壓氣機裝置的熱排氣再循環(huán)到火箭發(fā)動機噴管；任選地進入到所說噴管下游處一個或多個次級入口內；并且任選地作為一種壓縮工質用于其它用途；控制渦輪進口溫度。適于產生軸功的適宜燃氣輪機包括由GE、 ABB、 Solar、 Siemens和其它生產廠家生產的標準和高級商用燃氣輪機。適宜的燃氣輪機燃燒室包括與燃氣輪機一起供給的燃燒室或者那些為高壓蒸汽操作所特別設計的燃燒室。適宜的火箭發(fā)動機包括由GE、 Pratt&Whitney、 Rolls Royce和其它生產廠家制造的噴氣發(fā)動機；由T-Thermal、 John Zink和其它生產廠家制造的燃燒器；以及由生產用于高達5000F臨界溫度的磁流體動力學發(fā) 電機的推進系統(tǒng)的生產廠家例如TRW制造的噴氣發(fā)動機和火箭發(fā)動機。適宜的火箭發(fā)動機噴管包括deLaval型收縮/膨脹噴管。適宜的火箭發(fā)動機用燃料包括甲烷、天然氣和石油餾出物。適宜的火箭發(fā)動積^反應器用氧化劑包括空氣和氧氣。把火箭發(fā)動機噴管的排氣處理成渦輪燃燒室用燃料的適宜工藝包括一個或多個近似絕熱通道和噴管，其尺寸能夠產生一個或多個沖擊波并產生噴射推力以增加工質能量。把所說的渦輪用燃料引入到渦輪燃燒室從而能把渦輪進口溫度控制在現有材料極限內的適宜溫度為，對于新燃氣輪機為不超過2800F。把渦輪熱排氣再循環(huán)到火箭發(fā)動機壓氣機的適宜裝置包括燃氣輪機、渦輪增壓器、柴油發(fā)動機和其它內燃機。優(yōu)選地把所說火箭發(fā)動機噴管的排氣和所說渦輪的所說再循環(huán)熱排氣在近似絕熱氣氛下轉化成用于所說渦輪的所說燃料。通過近似絕熱氣氛是指除了不可避免的輻射或者其它向環(huán)境的熱損失外能保持所給送的燃氣、氧化劑、碳素物質和水的熱焓。在特定具體實施方案中，碳素物質在充足的速度下被引入到所說噴管下游處的所說火箭發(fā)動機反應器的所說排氣中以便把所說碳素物質轉化成用于所說渦輪的所說燃料。用于這種轉化的適宜速度包括亞音速和高達Mach 2以上的超音速以便完全反應并在渦輪進口壓力下輸送工質。碳素物質優(yōu)選地是甲烷，但可以替代地是天然氣及其組分、石油焦、殘留物或餾出物、生物物質、煤、木炭或其它適于熱解或燃燒的化學物質。優(yōu)選地所說的燃料也是甲烷。在某些具體實施方案中所說氫氣的一部分被分流到一個或多個下游用途，例如燃料電池、氧化鐵還原反應器或者化學工藝例如石油餾出物加氫脫辟u、不飽和烴的氬化、生產氨氣和醇等。在某些具體實施方案中，所說氫氣和其它燃料的一部分通過適宜的裝置被再循環(huán)以點燃火箭發(fā)動機和下游射流推力。當在一組轉化反應器內發(fā)生轉化時，優(yōu)選地通過適宜的裝置使所說火箭發(fā)動機壓縮裝置的所說排氣壓力符合每一轉化反應器內的壓力。在特定具體實施方案中，所說渦輪燃燒室的所說熱排氣的一部分在一個中間壓氣機內被壓縮和直接再循環(huán)到一個短路分配裝置(short circuit distribution means),并作為至少匹配或增加壓力的射流狀的附加熱能和附加物質被輸M而在適宜的結合處增大所說的熱排氣。一般地，所說火箭發(fā)動機噴管的排氣在跨音速速度下從所說的噴管排出。其中跨音速是指接近音速和高達Mach 2以上的超音速，它適于工藝反應和保持設計的工質能量水平。當需要增加在該轉化反應器或系列反應器內的反應程度或選擇能力時或者當需要更多的適度操作條件時，用于所說轉化的催化劑被引入到所說火箭發(fā)動機噴管的所說排氣中。適宜的催化劑包括氧化錳和鈦酸鋅。該渦輪的軸功可只用于發(fā)電，或者也能包括操作一個或多個壓氣機或泵的功。也可以有一個或多個渦輪、一個或多個燃燒室以及一個或多個發(fā)電裝置。在特定具體實施方案中，向所說的渦輪燃燒室加入輔助或級間氧化劑。該氧化劑可被引入到所說渦輪燃燒室內以有效地控制渦輪進口溫度。對于渦輪葉片和部件的適宜溫度是從對于老燃氣輪機的約1700F到現行技術設計狀態(tài)的高達約2800F?？梢耘c材料技術的改善一致地提高渦輪進口溫度以進行更高溫度和更高效率的操作。一般地所說轉化的一種產物是氫氣。其它產物可以是例如二氧化碳、一氧化碳和水蒸汽。本發(fā)明的另一個具體實施方案是一種產生動力的工藝，包括提供一個適于產生軸功的蒸汽渦輪；并提供一個具有噴管和壓氣機裝置的火箭發(fā)動機；把碳素物質和蒸汽給送到火箭發(fā)動機噴管；把燃料和氧化劑給送到該火箭發(fā)動機；把該火箭發(fā)動機噴管的排氣處理成用于一個鍋爐的燃料和用于一個次級火箭發(fā)動機的燃料；煮沸所說鍋爐內的水以產生水汽；利用所得的水汽驅動所說的蒸汽渦輪；用水淬冷渦輪排出的蒸汽；把已冷卻蒸汽和水的混合物再循環(huán)到火箭發(fā)動機噴管；并且把該次級火箭發(fā)動機的排氣轉化成燃料產物。一般地該燃料產物含有氫氣。在某些具體實施方案中，把純凈水引入到所說的轉化反應器或一組轉化反應器內，從而在所說反應器或一組反應器內與所說火箭發(fā)動機的所說排氣進行反應。優(yōu)選地，引入的該純凈水具有與蒸汽輪機排氣大約相同的重量或具有更高的重量比。本發(fā)明這一方面的優(yōu)選具體實施方案包括提供一個熱交換器；一個具有噴管的三級火箭發(fā)動機；一個具有燃燒室的燃氣輪機；把燃料和氧化劑給送到所說的三級火箭發(fā)動機；把所說的三級火箭發(fā)動機噴管的排氣導入所說的熱交換器內以便冷卻所說的排氣并超加熱所說鍋爐的排出蒸汽；把所得的超加熱蒸汽輸送到所說的蒸汽輪^機。根據本發(fā)明，利用燃料產生動力的一個適宜設備包括一個具有燃燒室的燃氣輪機；一個具有噴管和壓氣機的火箭發(fā)動機反應器；把燃料和氧化劑給送到該火箭發(fā)動機的裝置；把該火箭發(fā)動機反應器的排氣處理成渦輪燃燒室用燃料的裝置；把渦輪所用的所說的燃料引入到渦輪燃燒室的裝置；把渦輪熱排氣再循環(huán)到火箭發(fā)動機壓氣機裝置的裝置；進一步把火箭發(fā)動機壓氣機裝置的熱排氣再循環(huán)到火箭發(fā)動機噴管的裝置；任選地進入到所說噴管下游處的次級入口內；并且任選地作為一種壓縮工質用于其它用途；以及控制燃氣4^M口溫度的裝置。所開發(fā)的高溫高壓燃氣輪機可以，通過能降低成本的改變，可以根據本發(fā)明進行改型以提高它們的熱效率。或許最大的改型收益將有助于業(yè) 已安裝的并在更低溫度范圍運行的許多大型、低效率、固定式的燃氣輪機。除了通過守恒再循環(huán)再壓縮進行熱回收以外，安裝獨立驅動的壓氣機能夠完全去除輸出動力膨脹渦輪的壓縮功，從而提高它的輸出凈功和機械效率。相應地對于新的安裝可得到相同的收益。本發(fā)明通過渦輪排氣再循環(huán)達到渦輪進口溫度控制，結果獲得高的系統(tǒng)循環(huán)效率。通過火箭發(fā)動機反應器的整體性和去除復合循環(huán)設備及其相關的降低效率的系統(tǒng)設施能節(jié)約資金。由于高蒸汽、低空氣或無氮反應條件以及提高的熱循環(huán)效率，故降低了與通過蒸汽重整而產生氫氣所通常關聯的氮氧化物。如上所述，本發(fā)明包括再循環(huán)一個膨脹動力渦輪的大部分排氣；利在一個獨立的熱守恒、多級射流壓縮過程中把它們再壓縮并把它們返回到該膨脹動力渦輪；利用一個火箭發(fā)動機驅動的水煤氣變換烴轉化 (rocket engine—driven water—gas shift hydrocarbon transforming) 和/或水煤氣變換反應器(在下文稱作守恒能量反應器)在一個上部壓縮階段中反應所說的氣體以便增大熱化學轉化，結果在膨脹動力循環(huán)之外產生用于其它目的的再循環(huán)燃料和額外燃料；并且，通過已增大渦輪排氣流的可控再循環(huán)來調節(jié)渦輪進口溫度。本發(fā)明通過提高效率、降低氣化成本和把環(huán)境污染降到最低而延伸了本領域；并通過在另一個守恒能量反應器中進行該變換和其它轉化反應而增加了用于本領域狀態(tài)之外的能力。變換反應把一氧化碳轉化為二氧化碳和額外的氫氣。后續(xù)的守恒能量反應器設計將進一步降低成本并改善工藝裝置和產生動力的經濟性。
參閱附圖，

圖1是碳素物質100和水99作為火箭發(fā)動機噴管120的次級入口的進料。通過管道101給火箭發(fā)動機102供給燃料，優(yōu)選地甲烷。從氧化劑源通過管道103在極限壓力(top pressure)下把氧化劑優(yōu) 選地空氣輸送到火箭發(fā)動機102。氧化劑任選地在管道104上分流到燃氣輪機燃燒室105。燃燒室105也利用燃料106點燃以便與水107 —起控制渦輪進口溫度。
燃燒室105排出的熱排氣穿過燃氣輪機108膨脹。渦輪排出的在管道 109內的排氣可作為IIO導入任何一個或多個次級口從而通過相關的管道 111、 112和113輸送到下游的噴管；或者其部分或全部作為114能分流從而加入并成為管道115內所載送的可回收熱流體。作為114內工質的一種替代，進入壓氣機117的工質116在系統(tǒng)壓力下輸送作為118的工質以便為循環(huán)提供熱能和物質平衡。進一步的分流119可被導向到噴管120 的次級口。轉化反應器121、 122和123分別表示水煤氣區(qū)、變換區(qū)和延長駐留時間區(qū)，在這里發(fā)生火箭發(fā)動機排氣的轉化。這些區(qū)可任選地安排為次序跨音速沖擊區(qū)或簡單地作為兩個或多個駐留時間區(qū)。通過管道 124、 125和126引入氧化劑以便燃燒M應的碳素物質，從而通過后射流燃燒(after-jet combustion)來控制下游推力。
111、 112、 113、 124、 125和126中未利用的管道可被利用以引入其它反應物質。利用程度取決于所存在化合物的活性。用于轉化的進入噴管120的一個輔助口的純凈反應劑例如甲烷可能要求不大于兩個的反應區(qū)。預凈化煤或石油焦可需要一個額外區(qū)。固體進料另外要求從氣流中分離出顆粒物，這可在顆粒分離器127中進行。分離器127的另一個用途可以是通過排放下述物質而回收二次夾帶的顆粒以用于后文的任一種功能
1催化劑顆粒；
2捕獲器礦物(getter mineral)用于生物物質加工中捕獲堿金屬； 3用于煤、焦碳和殘留油的硫捕獲晶粒例如氧化錳或鈦酸鋅；4蒸汽鐵屑反應所用的鐵顆粒，以便產生海綿鐵、產生用于燃料電池和其它用途的氫氣以及以便再循環(huán)-還原氧化鐵；
5其它金屬顆粒，例如用于熱化學反應的錫和鋅；以及
6用于熱傳導到更輕更快的流動顆粒、氣體和蒸汽的中性顆粒
引入上述的任一種或多種顆粒的方法可以是夾帶在與所述工藝化學相容的流體中。某些工藝可能要求至少另一個分離器127,它可以是一種多級陡降系列，從而進入噴管128的全部產物氣流可作為下述使用天然氣、凈化或預凈化碳素物質的工藝的反壓，并且該氣流被轉化以用于渦輪膨脹的直接燃燒，或者一種組合燃料電池/渦輪工藝。火箭發(fā)動機驅動反應器裝置的一個功能是產生一種燃氣以便如下文的具體實施方案所述那樣直接用于燃燒?；鸺l(fā)動機驅動反應器裝置的另一個能力是通過編程、計量和可控的反應物進料使反應趨于完全而達到最低的反應最終溫度。當下一步的化學用途要求產生最大程度的氫氣時這一點非常有用。大多數轉化反應器實際上淬冷反應以便保持其最終化學組成。相反，在適宜時本發(fā)明在反應終了時點燃產物氣體以便達到化學計量規(guī)定的反應最終溫度，它在守恒能量反應器分配裝置的機站129處結束。
另一方面，如果反應最終溫度不符合為下游工藝所需要的更低溫度，則必須淬冷該反應。相反，一個工藝例如熱解可以要求淬冷以便中斷反應次序和凍結所需的中間化學物質。示例包括裂化甲烷以產生乙炔和乙烯；裂化乙烷以產生乙烯；裂化丙烷、丁烷和石油餾出物以共同產生氫氣、乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯和其它二烯烴以及芳香化合物。
如果所選擇的氧化劑是氧氣并且所得氧氣源用于工藝的壓力大于臨界值(over the fence),則不需要一個單獨的氧氣壓縮裝置。否則可用一個壓縮裝置來提高氧氣的壓力。
圖中所示分流氧化劑源的管道130是為了向任一個或多個次級口提供氧氣或空氣以流向噴管機站120、 131、 132和128以便通過后射流燃燒來提高工質內的推力。當接觸工質低于自動點燃溫度或反應溫度時可提供一個點燃源。圖中未畫出點燃管道但它與管道133類似。后射流燃燒的作用是增大夾帶量、產生沖擊和/或補償摩擦壓頭損失以保持機站129內的壓力。
圖中所示的壓氣機134由燃燒室105和渦輪108驅動。然而壓氣機134 可以由任何原動機例如一個柴油發(fā)動機驅動，只要優(yōu)選地其燃料組成與守恒能量反應器內的工質之間化學相容；否則其排氣必須用于回收用途。
標準平衡圖用作啟動和運行轉化工藝的指導原則以便避免生成固態(tài)碳或焦炭。
該工藝具有生產額外產物的能力，例如用于氨氣或醇的合成氣、用于乙烯的熱解裂化氣，并且能制造石油化學產品。
下文所述的主要方程選擇性地涉及包含圖1所示守恒能量反應器在內
的任何具體實施方案。其基本反應如下
方程(1) C+H20<^CO+H2 AH=+28千卡水煤氣
方程(2) C0+H2+H20<^C02+2H2 AH=-9. 8千卡變換
方程(3) CH4+H2O^>C0+3H2 AH=+49. 3千卡
方程(4) CH4+2H20eC02+4H2 AH=+39. 5千卡
圖l除了表示出如何提高動力循環(huán)的效率之外，也表示出如何制備附
加燃料。圖中示出該反應器排出3 H2+N2作為用于氨氣工藝的合成氣并排
出作為H2+0. 333N2的附加燃料，該燃料可用于制備更多的蒸汽或者為火
箭發(fā)動機提供燃料以在裝置內輸出。
下述兩個方程是在反應器內發(fā)生的用來產生這些氣體的基本自熱反
應
方程(4) CH4+2H2Oe>C02+4H2 AH=+39. 5千卡
方程(5) 0. 176CH4+2H20+0. 35302+l. 333N2oO. 176C02+0. 353H20+1. 333N2 AH=-33. 6千卡
方程(4)和方程(5)的總和產生下列產物 4H2+1.333N2 氨氣合成氣
1. 176C02+1. 333N2附加燃料用于增加排氣和/或反應
器再循環(huán)；或者裝置輸出 1. 176C02+1. 333N2也用于裝置輸出這是本工藝的另一個特殊特征即能夠制備額外的產物。在后述的利用燃氣輪機的具體實施方案中也可以制備用于氨氣的合成氣。取決于要被
轉化的碳素物質，可把該水煤氣變換方程(1)到(4)應用于本發(fā)明的所有具體實施方案。甲烷或天然氣涉及方程(3)和(4),而煤、石油焦、生物物質和殘留油可以通過水煤氣變換方程(1)到(2)進行處理。該水煤氣反應一般從第一反應器產生H2~KX)并且取決于最終用作工藝燃氣還是合成氣而表示為管道141和142。通過例如方程(4)來說明本發(fā)明中平衡的重要性，該方程產生4摩爾氫氣和1摩爾二氧化碳。對于實際用途，在從5到0的正logl。K范圍內一個近似直線關系成立，其相應的溫度為相對地從1600K到880K(Wagman等人)或者大約從2400F到1100F。更高的溫度當然也有利于平衡(Wagman等人的平衡常數)。
為了理解本發(fā)明中平衡的特殊重要性，可以想象一個例如4000F的富含蒸汽的超高溫射流，隨著它們運動并與碳素物質一個顆粒一個顆粒地互相反應而逐漸完成平衡，同時log1QK函數逐漸降低并且溫度相應地降低到1100F以下，因為利用壓力可以做到使logl。K達到在負log1QK區(qū)的微小值。如果燃氣必須脫硫，則達到低溫是有利的。在這種情況下如管道143、 144所示把二氧化碳和氫氣分隔開有時也是有用的。使一個規(guī)定反應化學計量地完全進行達到低溫的進一步優(yōu)點是，其吸熱熱能需要更少的碳素物質或燃料以及更少的氧氣，結果在排氣中達到更少的二氧化碳》
另一方面，如果該反應劑是一種預凈化煤，則佳反應達到一個用于渦輪燃燒室129的更高最終溫度是有用的，其中通過管道133的點燃開始該反應。然而，在燃燒室129中點燃燃氣之前，必須在分離器127中通過管道145去除預凈化煤產生的燃氣中的粉煤灰。
本發(fā)明也可用作如圖1所示的熱解反應系統(tǒng)以進行中溫傳統(tǒng)熱解或者高溫全熱解。在中溫下乙烷、丙烷、丁烷和石油餾出物可裂化生成乙烯、乙炔和其它烯烴和二烯烴例如丙烯、丁蹄、丁二烯和芳香碳氫化合物液體。在高溫下，甲烷可被裂化以主要生成氫氣、乙烯和乙炔。在高溫下裂化非甲烷碳氬化合物可達到基本完全的轉化，所生成的產物大都沒有通常生成的循環(huán)化合物、芳香類和重芳香油以及焦油。
Raniere等人的美國專利4724272和Hertzberg等人的美國專利 5300216指出，必須在對于沖擊類型和沖擊位置來說精確的駐留時間下完成跨音速工質內的加熱和冷卻。在本領域中那些技術熟練的人員知道，把溫度快速淬冷到約1100~ 1300F對于保持生產所需的產物和把焦炭的生成降到最低程度來說很重要。
本發(fā)明的火箭發(fā)動機102和噴管部分120是與如前所述的反應器 121、 122、 123耦合在一起的設施，它們可具有靈活的反應器長度、沿反應路徑產生不同沖擊特性的能力以及在不同反應時間-溫度裂化程度下通過入口 111、 112、 125和126進行淬冷的能力。由于任一個或多個所說的位置并包括所選淬冷位置之前的噴管部分120都能任選地用于向主工質內輸入跨音速物質和附加熱能，故能得到很多自由度。淬冷可以是完全的、部分的、直接的、間接的或者綜合的方式。直接淬冷介質可以是水、蒸汽、烴類和情性氣體。在位置127處或其附近的熱交換器中(未畫出)而不是所示的分離器中實現間接淬冷。通過噴管部分28排出淬冷裂化產物，并通過適宜的裝置利用管道146分配從而進行進一步處理。
Kamm等人的美國專利4136015和4134824提出了一種熱裂化烴的工藝和一種部分氧化和熱裂化原油進料的組合工藝。所選擇的適中時間-溫度裂化條件造成產生大量的液態(tài)產物和焦油，在他們的工藝中和下游的工藝中一定很難處理這些物質。
根據本發(fā)明，也可以使用復合燃料轉化變換和熱解。優(yōu)選地進行高溫操作以便達到液體和固體通常裂化烴產物的完全分解和轉化。在復合模式下首先在如前所述的一個或多個守恒能量反應器中生成合成氣。然后，在下游的守恒能量反應器中，向從第一守恒能量反應器流出的高蒸汽和高氫氣合成氣中輸入熱解反應劑并進行如前所述的全熱解。在熱解過程中存在相對大量的氳氣有助于反應趨于所需產物的選擇能力。在熱解過程中存在相對大量的蒸汽能降低生成煙黑或焦炭的傾向。為了進一步提高反應率、進一步提高加熱速率并進一步改善反應趨于所需裂化產物的選擇能力，可以通過可得到的次級噴管口加入輔助氧化劑。在復合燃料轉化-熱解模式中，優(yōu)選地使用直接水淬冷，因為這樣在原位生成的蒸汽有利于產生渦輪動力。裂化產物通過等熵收縮功流過一個渦輪以進一步冷卻并且流向其它傳統(tǒng)分離工藝。取決于進料、所需最終產物和經濟因素，可實施高溫熱解或中溫熱解。取決于進料、所需最終產物和經濟因素，可實施直接反應冷卻、間接反應冷卻或復合方式。圖8是用于制備乙烯和合成氣的熱解和燃料轉化工藝的示意圖。所述工藝是制備其它烴類的普遍代表性工藝。通過壓氣機134進給甲烷并作為后射流燃燒的一種任選方案把它分配以滿足進入燃燒室102的管道 800、管道801、噴管部分120和管道802內的高壓。一部分甲烷在燃燒室102內用氧氣點燃以滿足進行下述轉化方程的吸熱要求方程(1) CH4+H20<^CO+3H2 AH=+49. 3千卡在燃燒室102內的其余甲烷的作用是增加射流內的物質。在守恒能量反應器內產生的合成氣被分配以滿足下述三個不同目的1 一部分被再循環(huán)以便給火箭發(fā)動機壓氣機裝置的燃燒室105提供燃料。通過壓氣機117再壓縮渦輪108的所得排氣并把它如圖中所示沿反應器分配；2 —部分是合成氣產物；以及3其余部分在壓力下被給送到次級火箭發(fā)動機燃燒室并用氧氣點燃以CO+2H20到C02+3H20如上所述，火箭發(fā)動機的燃燒室可以在高達5000F的臨界溫度和相對無限的臨界壓力下運行。也描述了該守恒能量反應器對于沖擊位置和下游輔助沖擊的靈活性。應注意另一點即，可以處理甲烷、碳素物質例如煤和殘留油，它們接著生成下列形式和范圍內的合成氣C0+H,J C02+2H2最后，在適宜的裂化程度點要求用水、蒸汽、碳氫化合物或惰性氣體淬冷到1300- 1000F以便凍結所需的中間反應產物。在位置127處在分離器127內去除任何的粉煤灰。根據本發(fā)明的許多其它轉化反應發(fā)生在近音速和超音速情況下，反應劑之間具有很高的相對滑流速度，該反應劑與隨后的亞音速工質分裂成沖擊區(qū)。因而對于實際用途，通過高達5000F (在磁流體動力學工質中實施)的一次射流溫度和無限高壓可得到很高的反應率?，F在討論壓力，眾所周知，提高壓力有利于許多化學反應。如前所述，低壓適于生物物質氣化。另外眾所周知，對于在更低壓力和接近大氣壓力下發(fā)生的反應，生物物質比煤更容易氣化。煤適宜地在更高壓力下處理。本發(fā)明包含適宜的替代方案改變用于轉化的反應器壓力，并且同時通過再循環(huán)功能保持用于轉化的火箭發(fā)動機動力源能量。壓力的分配如上面關于圖l的論述，其中壓氣機134排出的再循環(huán)熱流體被分流到管道136而提供給燃燒室105。其余的工質被細分到支路137 以提供給火箭發(fā)動機燃燒室102和支路138以提供給動力噴管射流120 下游的任何一個或多個輔助口。支路137和138內的工質不必要固定。提高137內的工質會導致138 內工質相應地降低。通過控制這種交換可以使燃燒室102內的溫度提高或降低以用于全部氧化或部分氧化，而利用流過支路138的氧化劑工質可以有相反的效果，并且這可以通過增加或減少流過管道100和99的碳素物質進料和水進行補償。利用渦輪108的排氣管道109可實施類似的分流交換。這在上文被解釋為常規(guī)路線。本文所報道的這種交換的重要性涉及回收廢熱和廢物質。在相對低壓力的操作中，通過管道109的所有或大多數工質可以繼續(xù)流過管道110并且能沿管道被選擇性地分配且流入反應器。為了工藝原因或者為了更大的夾帶效果，該同一工質可以重新導向流過119,在這里燃燒射流有最大的夾帶效果，通過提高燃燒室102內的溫度可以進一步增大這種效果。這里由于該工藝的低壓力特性，因此對于把流過管道116的排氣流導向以便與管道139內流過壓氣機134的氧化劑流一起被機械壓縮的要求變得更低。然而，在后文的膨脹渦輪具體實施方案中出現有類似的功能，
該膨脹渦輪在機站129處在高達30大氣壓下運行。那時機站129用作渦輪的高壓高溫燃燒室。在那種情況下，管道115內的回收熱流體被大部分排氣流所代替，該排氣流與管道116內的工質一起被再壓縮。然后提供給所有燃燒室的該回收熱流體來自于另一個源，在后文對于各自的具體實施方案對該源將進一步描述。然而在每種情況下，在近似絕熱循環(huán) 中火箭發(fā)動機及其壓氣機裝置產生的動力必須保持在恒定化學組成的穩(wěn) 態(tài)再循環(huán)工質中，并同時保辯大部分排氣能量以便更有效地驅動一個輸送機械動力或電能的膨脹渦輪裝置。
在這種情況下，為了回收大部分廢熱能和廢物質，通過上述從管道109 的支路交換任選方案所提供的靈活性，可以優(yōu)化該再循環(huán)系統(tǒng)以便向燃燒室129輸送恒定一致的物質流，本文中驅動膨脹渦輪裝置。通過該系統(tǒng)回收的大部分熱能將在機站129處把碳素物質轉化為燃氣。流向機站129 的工質內的任何附加感熱被保留從而流過燃氣輪機140。為了避免再循環(huán) 中的堆積，必須排出的物質二氧化碳、氮氣和少量水蒸汽將用于預熱燃料、可再回收熱流體和其它裝置用途。在它們各自的具體實施方案中對它們有進一步的描述。
本發(fā)明可包括膨脹渦輪、具有附加軸功的渦輪以及多級渦輪構造。
情況l一用于單級和多級渦輪的火箭發(fā)動機動力源
在圖2中，膨脹渦輪裝置200的燃燒室129為發(fā)電機201輸送動力。可以使用任何機械性傳遞的動力負荷。該渦輪裝置可以是一個單級渦輪、一個連續(xù)多級渦輪或者一個具有級間加熱的多級渦輪。優(yōu)選地，在燃燒室129內產生的溫度壓力源是上面關于圖1所述的火箭發(fā)動機動力源。該火箭發(fā)動機動力源也包括守恒能量反應器或轉化器。其作用不但是把管道124輸入的碳素物質轉化成一種iiX燃燒室1129的有用產物燃氣，而且是把在火箭發(fā)動機壓氣機裝置、火箭發(fā)動機和守恒能量反應器內花費在壓縮和加熱上的所有或大部分動力都轉化成流入燃燒室l29的產物
燃氣(及其感熱)。
本具體實施方案所包括的功能是再循環(huán)所說膨脹裝置的最后渦輪的大部分排氣，但必須從循環(huán)排出以防止工藝中出現堆積現象的排氣(至少
直接傳熱和物質遷移的部分)除外相應地，排氣202在203處分流并在通過壓氣機205提高壓力后作為204繼續(xù)向前流動以用于渦輪裝置200 內的級間加熱。通過一個適宜裝置可以獨立地控制由渦輪108所驅動的壓氣機205的速度。
必要的是更大循環(huán)或者整體循環(huán)的物質和化學保持在穩(wěn)態(tài)；從而排出物206必須被具有一致總體化學的等量物質所代替從而保持連續(xù)性。例如，如果所選燃料是CH4，則燃燒室129內的反應可總結如下
方程(1) CH4+2空氣+x再循環(huán)<^€02+21120+7. 5N2+x再循環(huán)
其中再循環(huán)=002+21120+7.5^并且設計渦輪^進口溫度越低，x越高； x(C02+2H20+7. 5N2)可以替代在通常操作中所點燃的任何過?？諝?。如果氧氣是優(yōu)選的氧化劑，則方程(l)可改寫如下
方程(2) CH4+2氧氣+x再循環(huán)^C02+2H20+x再循環(huán)
其中再循環(huán)- C02+2H20, x(C02+2H20)可替代過?？諝?。x可以是任何數字或者混合數字。在206處排出的工質必須等于002+21120，但只要其等量化學組合物重新進入循環(huán)以保持物質流的連續(xù)性，則在206處排出的工質可比循環(huán)平衡大某一分數。
現在回到壓氣機134,其中火箭發(fā)動機102和燃燒室105的燃料是設計熱值的甲烷部分，據認為它是到達燃燒室129的熱能的總和包括任何后射流燃燒附加熱能。壓氣機134接收并排出工質207，該工質207分流成208、 209和210。管道208進入燃燒室105,其主要功能按比例是把流入渦輪108的燃燒室工質209的進口溫度控制在適宜范圍內以便保證再循環(huán)平衡，其中成為211的工質210部分在平衡時是任選的，可以從零氣流變化到等于210的最大氣流。如果平衡時210大于零則產生211，在啟動時211的值為零。火箭發(fā)動機的相容性或者它與下游的后射流燃燒推力一起都取決于燃燒室102內的極限壓力與燃燒室129設計壓力之間的差別。燃燒室102和129不只是在一定程度上補償下列壓頭損失
1火箭發(fā)動機噴管 2摩擦3推力夾帶
4火箭發(fā)動機壓氣機裝置排氣分配
在實施中這些損失在燃燒室102和129之間原位轉化為熱能，從而吸熱地轉化為有用的燃料，在流向燃燒室129的產物內感熱有某些升高。
至少在可預見的將來，先進燃氣輪機的設計溫度在具有葉片冷卻下可高達2800F,燃燒室壓力可高達30大氣壓。本發(fā)明對于燃燒室102內的臨界壓力沒有實際的高限，即使先進燃氣4^機的設計壓力比30大氣壓高許多，或者能使用更高壓力的工藝氫氣。
鑒于這些邊界條件，燃燒室102和129之間的臨界壓力差也必須與轉化和感熱容量或者產物燃氣和氣動熱化學設計的吸熱要求相協調一致。這種熱能用途必須首先考慮渦輪排出的廢熱部分以及把它輸送到火箭發(fā) 動機-守恒能量反應器工序的壓縮熱。例如，在燃燒室102和129之間的壓力差很大的應用中，更有利的是，火箭發(fā)動機壓氣機裝置把排氣輸送到夾帶裝置流向壓力陡降的更低端，但在129處的壓力仍在設計壓力之上。
另一方面，如果129處的壓力比燃氣輪-機先i^技術狀態(tài)的高壓(即30 大氣壓)低很多，例如20-25大氣壓，則優(yōu)選的模式是在最大氣流下(即等于210)操作212處的工質流過壓氣機213。這i兌明211處為零氣流，并且在物質流內恒定化學總量方面筒化了循環(huán)平衡。
除了考慮改變上述工質如何影響燃燒室129的設計壓力之外，主要的判據最終是選擇一種循環(huán)平衡，該循環(huán)平衡利用渦輪裝置能達到最多的凈功輸出，并且利用再循環(huán)排氣的相關適宜量能達到最大的回收，對于更低壓力下的應用以便改型現有在高達25大氣壓運行的燃氣輪機，該判據要求設計壓力重回到低于30大氣壓的一個值。在下一個具體實施方案中對這點將有詳細論述。
現在回到火箭發(fā)動機壓氣機裝置，確定燃料部分一管道316—的尺寸以壓縮所選擇的流過壓氣機134的物質流。由于絕熱地保持了內部的第二定律不可逆熱，故可以利用理想的等熵關系來至少估算從渦輪膨脹輸出的凈功。為了說明本發(fā)明的渦輪進口溫度控制和再循環(huán)的功能，討論一下筒單模式，其中CH4不進行轉化就被點燃
CH4+202+4. 5[C02+2H20] — {C02+2H20+4. 5[C02+2H20]} 在2515F時AH二-191. 7千卡
通過利用Keenan和Kaye的對于200%理論空氣的燃氣表，可任意簡化上述并把它作為渦輪功的安全值分析。"示1磅摩爾的任意氣體從 2515F和25大氣壓膨脹到1大氣壓和943F:
25大氣壓 2515F h尸23753Btu/磅摩爾產物
1大氣壓 943F h2=10275
h3=13478
hs表示渦輪的理想膨脹功。
20096Jg論空氣說明燃燒產物平均摩爾重量為28.9,而5， 5[C02+2H20] 的平均摩爾重量則為26.7。用于測定產物的Btu/磅的安全值為28.9。其
值更低時有下式
h3=13478/28. 9=466 Btu/磅產物總產物熱能=440磅x466Btu/磅205040Btu
渦輪功的效率=產物熱能/1摩爾CH4的熱焓=[205040/344160] xl00%=59. 6%
即對于每摩爾甲烷，為大約60%。
用于回收的理論最低值要求穩(wěn)態(tài)燃料輸入的熱能等于膨脹功。對本實施例來說它等于60%,說明13478Btu/磅摩爾產物通過渦輪裝置(下文簡稱為渦輪)膨脹。
本實施例的目的是在射流燃燒室內產生一個比渦4^進口壓力高許多的的臨界壓力。進一步的目的優(yōu)選地是把從射流燃燒室到渦輪進口的大部分再循環(huán)工質在近似絕熱路徑(下文稱作通道)內利用射流推力進行壓縮。
這是為了利用對于旋轉壓氣機來說所不能達到的5000F的熱力學勢。由于包含了用于膨脹的感熱增量，故只要調整升高驅動射流的臨界壓力就可補償動量傳輸的更小效率，并且能夠輸送設計的渦輪進口溫度。
上述搡作要求兩個并行壓氣機而不是圖中所示的壓氣機134，其中一
23個壓氣機在比渦輪進口壓力高許多的壓力下輸送少部分的再循環(huán)工質進
入射流燃燒室102以便增大燃燒產物并且從而提高射流的物質夾帶力。另一個壓氣機在比渦輪進口壓力稍低的壓力下輸送大部分的再循環(huán)工質進入通道的一個或多個次級口，以便夾帶射流物質并由射流物質提高其壓力并且通過后射流推力進一步作為必要的下游工質。
在一個更簡單的模式下，壓氣機134排出的工質被分流以便少部分工質被導向到射流燃燒室，而大部分工質能在射流的正下游在同一壓力下被導向進入噴管部分121的一個或多個次級口或者進一步分流以流入沿通道的的入口 111、 112和113。在該模式下，必要時通過提高射流燃燒室的臨界溫度而增大射流動力。
另一個替代方法體現了上述模式的一個或兩個功能中的部分功能，其明顯的區(qū)別是，再循環(huán)工質的通道進口壓力比渦輪進口壓力稍低，利用燃料和氧氣在火箭發(fā)動機的設計極限范圍內的任何適宜溫度壓力下獨立地驅動射流燃燒室，其中由并行壓氣機(如前所述，未畫出)的其中之一獨立地產生火箭發(fā)動機的壓力，并且始終如一地由另一個并行壓氣機獨立地產生再循環(huán)工質的壓力。
上述模式說明，通過用于射流推力的高等氣體動力學的計算機分析和通道設計可選擇性地確定和優(yōu)化;f艮寬的操作范圍。目的是對于下列方面按比例分配(apportion)為再壓縮裝置分配所需的燃料
1中間壓氣機裝置
2火箭發(fā)動機臨界溫度和壓力
3通道射流推力
所有均考慮了在循環(huán)內將要回收和再壓縮的排氣部分。下文是上述情況的實施例的繼續(xù)，其中在中間壓氣機內進行所有的再
壓縮到25大氣壓，并且選擇50%的排氣進行再循環(huán)和熱回收。
1 再循環(huán)50%即2. 75
并把它分流成各為1. 375[C02+2H20]
的兩個氣流
物質相關 (磅) 014(摩爾)2 總排出物5.5[C02+2H20]
3 1/2的排出物2. 75 [C02+2H20]
4 1/4的排出物1. 375 [C02+2H20]
5通過壓氣機134等熵壓縮工質(3)
6 工質(5)被平均分流在2515F渦輪進口溫度下輸送1. 375 7另一半1. 375被輸送到燃燒室108以便
4401.0
2200.5
1100. 25
2200.5
1100. 25
與燃料產物(5) —起用于渦輪進口溫度控制，即
1. 375[C02+2H20]110
燃料產物0.500[C02+2H20]80
8 總計 1.875[C02+2H20]190
9利用隨后流入燃燒室108的附加燃料
再壓縮排氣(8)，由于190/440=0. 431900.43
10 然而0. 43
被另外原位
再壓縮作為34. 5磅34.50，08
11用于所說再壓縮的物質和燃料總計
(5)2200.50
(9)1900.43
(10)34.50.08
444.51.01
1. 01 x 440=444. 4
注雖然進行上述再壓縮沒有標明有任何火箭發(fā)動機再壓縮，但該分析等于所需的總燃料，不論該再壓縮如何在火箭發(fā)動機、中間再壓縮裝置和下游射流推力之間分流(如該實施例)。
雖然優(yōu)選地是氧氣動力，但不排除空氣。一個關于l摩爾甲烷的并行實施例給出
CH4+202+7. 5 N2+[C02+2H20+7. 5 N2]<^C02+2H20+7. 5 N2+[C02+2H20+7. 5
N2]
這表示穿過渦輪的物質流為580磅。再次使用輸出功，h3=13478Btu/總熱流580磅x 466. 4=270512Btu
對于每摩爾甲烷，渦輪功=(270517/344160) x 100=78.6%
對于空氣的回收程序與對于氧氣所述的程序類似。然而，如果保留一半的廢氣熱能和相關的物質即21.496/2=10. 7%，則對于每摩爾甲烷的熱焓，輸出功變?yōu)?8. 6+10. 7-89%。
在這些比較中空氣模式比氧氣模式效率更高的原因是，物質流按比例地更大。每種情況下所計算的物質流都是基于同樣的渦輪進口溫度2515F 和25大氣壓，其中440磅[C02+2H20]函數的熱容量(heat c鄰acity)比 [C02+2H20+7. 5 fg函數的值大得多。這表明氧氣模式的另一個巨大優(yōu)點即，通過與空氣模式相比提高氧氣模式的物質流，可利用同樣的總計約89% 的熱回收產生同樣的78.6%的輸出功，但對于同樣的功率氧氣模式有更低的渦輪進口溫度，因而更有利于渦輪設計。
從上述分析可進一步推導出下列幾點
1如果一個連續(xù)物質流(例如實施例中的440磅)顯示出比100%稍低的熱效率，則表示提高燃料和壓縮熱到100%—定造成渦輪進口溫度增加。因而，如果所設計的渦輪進口溫度是在冶金極限，則必須重新計算循環(huán)和再壓縮以便與該極限相適應。否則在穩(wěn)態(tài)負載下溫度的提高將造成更多的渦輪輸出功。
2另一方面，作為步驟l的通過再循環(huán)比示例更多廢氣的推論，從再壓縮附加工質所得的物質流將超過440磅并破壞為穩(wěn)、態(tài)再循環(huán)所需的連續(xù)性。在這種情況下，代表多余熱能的過剩量可被轉化成燃料，并通過中間壓縮裝置和射流推力操作使它旁路流過以有助于對于任何一個或多個火箭發(fā)動機所需的燃料。
3當在步驟1或2中引入碳素物質(可以是甲烷)的轉化時，其結果是造成更多的燃料和/或更多的熱能，這些必須予以考慮。
4除了不再循環(huán)的排氣部分及其能單獨利用的熱焓之外，系統(tǒng)中絕熱地含有排氣的再循環(huán)部分及其所有壓縮熱能和附加燃料，在用于渦輪工質連續(xù)性的熱能和物質平衡中對它們必須予以考慮以，旁路流過作為已轉化燃料的過剩熱能和物質以代替基本分析中的相應量。為了保持所說渦輪工質的連續(xù)性，該旁路是必須的。
上述分析表明，通過再循環(huán)大部分的渦輪排氣可以根據本發(fā)明處理甲烷或者任何純凈燃料而不把它進行轉化，并且能調整其熱回收以便有利于渦輪進口溫度控制和連續(xù)性。進而，本發(fā)明提供了用于渦輪膨脹的熱能和壓力，或者通過多級發(fā)動機操作把所說的熱能和壓力轉化成用于所說膨脹的燃料，從該多級發(fā)動機操作實際上不輸出任何軸功，但它通過
軸功原位轉化成用于所說膨脹的熱能和壓力。換句話說，這是一個近似全能量可控體積，其中所有進入的能源成為具有熱和壓力的工質被輸送用于渦輪膨脹或者成為用于渦輪膨脹的燃料。
本發(fā)明并不限制回收排出物和熱能的方式。一種異常的回收方式是通
過旁路流過穿過壓氣機205的物質流203而短路(short circuiting) — 部分渦輪排氣，成為流入203的更熱工質。該工質被按比例地分配從而在一個或多個級之間的熱回收優(yōu)選地，但不是必須地，等于渦輪裝置200 級間的工質。
進而，所選的物質流203不但在所選級間位置加入熱能，而且更重要的是它選擇性地混入、增大壓力并提高母工質214，按分配流過渦輪裝置 200的級。為了保持連續(xù)性，恒定物質203分流成已增大工質202,從而 202接著成為工質204,在旁路流過工質206以用于在循環(huán)內間接熱回收或者把它排出用于裝置用途之后，工質204接著成為殘余排氣207。該短路循環(huán)的一個特殊優(yōu)點是能在不破壞主循環(huán)內必要的物質流連續(xù)性下提高輸出功。
情況2~用于具有附加軸功的渦輪的火箭發(fā)動機動力源在圖3所示的本具體實施方案中，火箭發(fā)動機動力源提供給現有燃氣輪機，并且把守恒能量反應器排出的工質導向以用于低壓凈化。在所給的用于轉化的情況1中，通過管道124流入噴管120的碳素物質可以是預凈化的或者在開始時是純凈的。在本情況中，據認為凈化是必須的，這要求從守恒能量反應器排出的工質在所需的任何溫度壓力下排放以提供給幾個商用工藝中的任何一個。
優(yōu)選地在約1000F下搡作熱氣凈化，因為在該溫度下的凈化氣體可以至少保留該熱值而接著流向燃氣輪機。另一方面，前面對于本發(fā)明所述的高等氣體動力學活度可以在很低溫度下完成轉化反應而沒有淬冷造成的熱降解。進一步的優(yōu)點例如是能在更低的溫度壓力下萃取燃氣中的二氧化碳部分以用于其它用途。
在這些情況下，利用火箭發(fā)動機驅動的守恒能量反應器的轉化效率可高于90%。與現行的實施相比，這降低了燃料成本。進而，如果低成本殘留油或者石油焦能替代天然氣，則取決于市場價格可把燃料成本另外降低50~ 250%。
本情況下考慮利用一種純凈或預凈化燃料來提供給一個改型操作的有利點也是適宜的。這將發(fā)揮情況l所述的大部分工藝。
在圖3所示的工藝中，釋放了標準壓氣機300的所有或大部分負載以便實際上把標準燃氣輪機200轉換成一個無動力渦輪，其中渦輪200的前述負載現在變?yōu)樵?01處的額外動力輸出。
相應地，壓氣機300,只是為了方便起見，可用于通過管道301流入守恒能量反應器的低壓氧化劑工質。
情況3—多級渦輪構造
在圖4所示的多級渦輪具體實施方案中，優(yōu)化了渦4^進口溫度控制所用的再循環(huán)。當把氧氣提供給本發(fā)明的多級渦輪時，使用氧氣也有效。下文敘述幾種工藝模式
氣進行直接交換。通過管道410點燃燃燒室102內的部分甲烷；通過管道124點燃其余甲烷。在134處壓縮再循環(huán)排氣并首先把它按比例分流以便調節(jié)相容工質208的大小從而控制渦輪108的渦輪進口溫度。相應地，在215內壓縮大部分相容排氣210并把它在高壓下沿守恒能量反應器傳輸。其余的少部分工質402、 403可任選地開啟或關閉。
接著分流壓氣機排氣404的其余大部分以滿足燃燒室102和射流夾帶噴管120之間的溫度壓力相互作用。反應區(qū)可以按所需開啟。省略了分離器405。噴管406為工質提供反壓以流向上部燃燒室407。部分氧化氣體繼續(xù)流動穿過燃燒室408、 409從而從底部渦輪410排出，在完全燃燒下排出到管道202內。通過管道411提供并控制氧氣以用于進入管道412、 413、 414的工質量和壓力(未畫出)。該控制是為了優(yōu)選地在每一級間保持相等的溫度以匹配燃燒室407內的溫度。
B在缺氧下也可點燃甲烷，結果氣流被部分氧化并如上述A中所述那樣進行處理。
C取決于溫度和壓力，可改變甲烷和蒸汽之間的熱化學活度。在一個很大溫度范圍內可得到下列反應的任何一個方程(1) CH4+H20 (g)oC0+3H2 方程(2) CH4+2H20 (g)<">C02+4H2 然而，與煤/碳的反應性可應用到下述過程方程(3) C+H20 (g) <^CO+H2 方程(4) C0+H2+H20(g)<^C02+2H2
所有上述反應都是吸熱反應，并且在再循環(huán)部分的熱能和反應劑含量范圍內運行。這樣該循環(huán)首先產生用于轉化的吸熱熱能和反應劑蒸汽，然后當該產物燃料在下游點燃時對它進行回收。利用該再循環(huán)部分的豐富水蒸汽含量可很好地保持反應平衡。
在圖5所示的具體實施方案中，優(yōu)選地通過蒸汽~#^應達到氫氣的制備。下文論述下列三種方式的任何一個在反應平衡中的不同物理效果以及對于如何在以后儲存和使用鐵產物的不同動力學
A6304還原成FeO以產生氫氣
B Fe304還原成Fe (海綿鐵)以產生氫氣
C Fe碳化成Fe3C (碳化鐵)
^F^O^還原成FeO以產生氫氣用于和產生還原氣體的熱源
方程(1) 0. 5C+0. 502+l. 88N2 JLtt_—o. 5C02+1. 88N2 方程(2) H20 (1) +2C+0. 502+l. 88N2 ^^^—20Hl. 88N2+H2凈AH〉32千卡還原
方程(3)+3 Fe304 (s) —2.5C02+ H20(g)+9FeO(s) + 3. 76N2 氧化
方程(4) 9FeO(s) +1. 5H20(1) + 1. 5H20(g) —3 Fe304 (s) + 3H2 AG=-93千卡
源于相當尺寸的Fe3(^顆粒(可能源于一種小球狀源)的FeO顆粒提供了一個獨特的特性，其中其顆粒受到由高速度所產生的拖拉力的作用而向前移動，與蒸汽反應產生高達跨音速的滑流速度。作為一種再循環(huán) 工藝，在反應區(qū)結束時只排出產物氫氣。只要提供有適宜的裝置避免在再循環(huán)中產生團聚，則再循環(huán)固體即使是Fe和FeO顆粒的混合物也無關緊要。根據本發(fā)明，反應器的取向可以與水平方向呈任何角度從而保持飛行中的固體顆粒。
另一個替代模式涉及在50~200微米范圍內的超細Fe顆粒.在尺寸接近灰塵的更低端，它們必須通過例如天然氣、氮氣在密封管道內傳輸以避免自燃。由于這個特性，可以預計只把它們與蒸汽混合就可產生很高的反應速率。在解釋完利用海綿鐵Fe制備氫氣的下列反應之后，將進一步對此進行評論。
B Fe^i還原成Fe (海綿鐵)以制備氫氣
熱源
95 8千卡
方程(1) 0. 5CH4 + 02~"^~-—0. 5C02 + H20(g) 重整
+39.3千卡
方程(2) CH4 + 0. 5C02+ H20(g)-----— CO +3H2 + 0. 5C02
(l)和(2)的凈AH卜56. 5千卡還原
+26千卡
方程(3) CO + 3H2 + 0. 5C02+ Fe304 ------4l.5C02 + 3H2Qf3Fe
氧化-35.8千卡
方程(4) Fe + 4H20(g)---— Fe304 + 4H2
根據Gahimer等人(IGT實驗1976)，方程(4)具有一個有利的自由能變化，從125C的AG=-20千卡幾乎線性變化到925C的約-3千卡。I. barin 和O.Knacke根據"無機物質的熱化學性能"計算出反應"A"的自由能變化。根據Gahimer，反應"A，，的有利自由能變化說明通過火箭發(fā)動機動力源和守恒能量反應器制備氳氣的兩種工藝均能實現。這并不排除在"B"反應內運行更大的粒徑，并仍尋求在制備用于燃料電池和燃氣輪機的氫氣的同時制備用于其它用途的全-Fe和海綿鐵。這樣的一種用途是如下文"C" 所給的用于鋼廠的海綿鐵。
CFe碳化成FeX (碳化鐵)
制備海綿鐵基本上是如上所述直接還原氧化鐵，海綿鐵在鋼中的用途主要是形成碳化鐵(Fe3C)。對于作為天然氣主要成分的甲烷，其化學環(huán) 境如方程(1)所迷
方程(1) CH4 + 02-土^—CO + H20(g) + 2H2部分氧化
下列方程驅動碳化反應
+22 9千卡
方程(2) 3Fe + CH4-~———Fe3C + 2H2 方程(3) 3Fe + 2C0i丄a—Fe3C + 2C02
-26.4千卡，、
萬程(4) 3Fe + C0+H2---—Fe3C + H20(g)
上述描述了相對無限高壓范圍和最高5000F的火箭發(fā)動機動力源的膨脹適用性，火箭發(fā)動機動力源用于火箭發(fā)動機燃燒室，作為提高鋼廠生產率的一種設施，該鋼廠具有也產生動力的一個聯動工藝(coordinated process).下文將關于上述的反應"B"和圖5描述這種復合。
該工序現在是為了通過在火箭發(fā)動機動力源內轉化甲烷而利用上述反應獨立地產生例如6摩爾的氫氣。氫氣工質被均分為三條線路
如圖所示，線路1給燃料電池500 (優(yōu)選地固體氧化物燃料電池)輸送2摩爾氫氣，該燃料電池傳輸動力并把高壓蒸汽傳輸給驅動渦輪502 的燃燒室501。
線路2把2摩爾的氬氣直接傳輸到燃燒室501
線路3傳輸2摩爾的氫氣以還原0. 5Fe304接著進行的是在第一級和第二級操作中的勢能反應。第一級產生所有
的氫氣并且是一個壓力陡降(pressure cascade).它驅動第二級以還原 Fe304。在火箭發(fā)動機503內產生的壓力也把線路3內M應器504排出的排氣輸入燃燒室501以最大限度地利用熱能。在第一級內發(fā)生的反應是
71 ^午卡
方程(5) 0. 5CH4 + 02 + 2H20(1) —"11-—0. 5C02 + 3H20(g)燃燒方程(6) 1. 5CH4 + 0. 5C02 + 3H20 (g) ±5^5上~>2002 + 6H2轉化在燃燒室503內在極限壓力下進行反應(5)以便燃燒噴管按所需產生一個高達跨音速速度的射流，從而激活當計量輸入1.5摩爾的甲烷以與該射流反應時發(fā)生的反應(6),相應地在本實施例中產生如上述均分為三個線路的6摩爾氫氣。通過適宜的先進裝置從該氫氣分離出二氧化碳以保留壓力和熱能，并且把利用所說的分離產生的M應器505排出的二氧化碳導向并驅動第二級工序506和504以還原四氧化三鐵Fe304。
相應地，流入噴射泵506的二氧化碳和氫氣通過一個跨音速噴管增大從第一階段排出的反壓以便根據下述反應與Fe304顆粒發(fā)生反應，在二氧化碳和氳氣的下游計量輸入這些Feg04顆粒方程(7)
2C02 + 2H2 + 0. 5Fe304 (s) 17 5千卡_^2C02 + 2H20(g) + 1. 5Fe(s) 還
原
上述反應大約在熱平衡下進行以便必要時可以加入額外的熱能以用于工藝目的。這是本發(fā)明為促進一個兩級反應工藝的多樣性的一個簡單示例。通過引入氧氣以點燃一部分氫氣可以隨時組織該噴射泵506,這種情況可以是必須通過傳統(tǒng)溶劑吸收器-洗提器或者壓力變化吸收系統(tǒng) (pressure swing adsorption system)分離二氧化碳的情況。
渦輪502的排氣包含水蒸汽和二氧化碳。工藝中的工質將如上述具體實施方案中所述被迭代(為了本實施例的目的，未這樣做)，其中管道507 內的相當部分將在管道508內繼續(xù)流動iiX火箭發(fā)動機壓氣機裝置509, 旁路流過管道510內的余額以用于其它用途。
現在回到碳化鐵的制備，例如利用吸熱反應(2),海綿鐵和甲烷與熱能反應生成碳化鐵[Fe3C]和氫氣。作為一種任選方案，這在圖5中作為第三級工藝進行描述，其中在火箭發(fā)動機燃燒室511內部分氧化甲烷。可以把甲烷過量計量輸入燃燒室511的噴管部分或者在下游把甲烷計量輸入海綿統(tǒng)良應器512的噴管部分。相應地從燃燒室511排出的射流提供反應的吸熱熱能以制備海綿鐵和氫氣。在替代模式中可以把反應器512 產生的氫氣再循環(huán)到燃燒室506和反應器504的噴管部分以把Fe304和/ 或FeO還原成海綿鐵，從而把二氧化碳的生成量降到最低限度。
總的來說本具體實施方案達到兩個進一步的特點。首先，全功率裝置或峰載要求一起運行線路1和2。這樣就能組織渦輪以處理只在線路2上的基載。其次，可以把海綿鐵商業(yè)地制成小球或餅狀從而能方便地磨成粉末形式。超細鐵顆粒與蒸汽的反應性可生成Fe3(^和純氫氣。這可以例如更滿足小型燃料電池對駐留的要求。正在商業(yè)開發(fā)的聚合物電解質膜燃料電池就是用于這個目的以及稍大的用于商業(yè)建筑的電源或者移動式動力源。這種等級的燃料電池把住所和有限空間內的高溫組分降到最低。本發(fā)明可以制備海綿鐵用于這些或其它燃料電池類型并具有小型反應器以便攜帶性和安全性高，以及用于上述更大規(guī)模的操作。
下文描述以兩種方式應用于鍋爐和蒸汽輪機的火箭發(fā)動機動力源。
蒸汽輪機動力循環(huán)一綜述
參閱困6和圖7，在后文將詳細描述。典型地，鍋爐內的蒸汽輪機沒有相連的壓氣機。作為一個示例，驅動一個發(fā)電量為50MW的蒸汽輪機發(fā) 電機的是一個在600psia和1000F下每小時輸送大約346000磅的蒸汽，渦輪的排氣是每磅含有1517Btu的在250F和30psia下的干飽和蒸汽。熵大約為1. 7Btu/磅R。
在恒熵條件下，忽略泵功，理論效率計算如下
E={[1517—1164]/[1517-218]}xl00=27. 2%
該效率表明了現有的或在Rankine循環(huán)下設計的新裝置與本發(fā)明之間的出入點。本實施例的目的是把大部分熱能回收到守恒能量反應器內以轉化和演化所有的燃料、保留回熱用于點燃鍋爐。在完成該循環(huán)的過程中，鍋爐效率以及渦輪和發(fā)電機之間動力傳輸效率將基本保持不變。然而，增大排氣焓的內循環(huán)熵增將在守恒能量反應器內被回收，守恒能量反應器直接接收廢蒸汽作為與碳和碳氫化合物反應的主要伴隨反應劑。
渦輪排氣中的潛熱表示最大的廢能量。通過在一對一的基礎上把附加
水流與渦輪排出的蒸汽相互混合可再回收至少50%的最大廢熱能。如果在工藝中的這一點能再回收所有的潛熱，則鍋爐的效率通常為約90%(為簡便起見，可按100%),它也是先進操作的總體熱效率。然而上述得到的效率27.2仏是現行操作的總體熱效率。損失能量為72.8%,在實際過程中該損失是由冷卻水所造成的潛熱損失。如果回收其50%，則上述"E，，值變為
E=27. 2+36. 4=63. 6%
凈功在名義上仍為50MW即渦輪熱工質的27.2%未變。由于極大地提高了燃料經濟性，故為產生同樣的凈功所需要的燃料可少36.4%。進而，可以減少一半的冷卻水需要量，并且接著利用該附加水一其50%在互相混合后達到飽和^作為實施例所示的進入守恒能量反應器與Oit反應的主要水蒸汽反應劑2H20 :
執(zhí)
方程(1) CH4 + 2H20"~—C02 + 4H2 AH=+39. 5千卡對于該分析并且一般地，2摩爾蒸汽可以代表鍋爐提供的作為100%的蒸汽和用于渦輪所有蒸汽。因而通過如上所述的涉及用于物質連續(xù)性的2 摩爾的互混工質傳質能一致地從2摩爾渦輪排氣回收盡可能多的熱能，其中兩摩爾排氣繼續(xù)流到冷凝器，具有一半潛熱的附加兩摩爾進入向鍋爐提供燃料的反應器。該附加水必須至少與渦輪排氣一樣純凈以便不污染流到冷凝器的工質。
從而把該兩摩爾水蒸汽轉化為動力源內的燃料。接著該燃料被點燃以利用下述反應向鍋爐提供100%的熱能
方程(2) C02 + 4H2 + 202--—C02 + 4H20 AH=-221. 2千卡
其中燃燒產物C02 +朋20是煙道氣(必要時用于凈化)以在近似絕熱工質中變成第二級動力源所用的熱源，該第二級動力源可以提供任何壓力的附加燃料用于中間利用的任何目的，并且可以再循環(huán)該燃料的一部分以驅動用于一級和次H應器其中之一的或者兩者的火箭發(fā)動機和/或火箭發(fā)動機壓氣機裝置。
優(yōu)選地，在上述多級操作中，利用純凈燃料例如甲烷點燃發(fā)動機，并且至少在第一級中碳素物質也是甲烷或者一種同樣純凈且相容的燃料。
下述的反應表明了第二級的提高優(yōu)點
方程(3) C02 + 4H20 + 2CH4 e3C02 + 8H2 AH=+79千卡
點燃效果表示為
方程(4) 3C02 + 8H2 + 402~>3C02 + H2 AH=-462. 4千卡
通過比較方程(2)和(4)的釋放燃燒熱與方程(1)和(3)的吸熱要求，可以很明顯看到除了從渦輪排氣和源氣回收作為潛熱和感熱的廢熱之外還有豐富的燃料，從而進一步為火箭發(fā)動機和壓氣機燃燒室提供氬氣再循環(huán)。二氧化碳部分可以通過適宜的裝置保留或分離并旁路流過。
據認為產生的8摩爾氫氣是最大量。通過降低進入第二級反應器的工質并把其余額導向到低等級熱能用途，可以顯著地降低該產量。另一方面，這種模式，不論是否更少地利用第二級動力源，都能在利用取決于原位鍋爐或源氣凈化的其它廉價和/或低純度碳素進料中應用到第一級。
情況5—與鍋爐組合在一起的火箭發(fā)動機動力源
現在按照上述操作描述圖6。在圖6所示的本具體實施方案中，一個火箭發(fā)動機動力源與一個利用兩級燃料轉化的鍋爐組合在一起。通過管道601從渦輪600排出的廢蒸汽流入混合器602以與穿過管道603的純凈水進行直接熱交換，計量并泵送(未畫出)該純凈水以在必要時增大穿過混合器602的工質?；旌瞎べ|604分流成工質605和606以便工質601 和606的物質相匹配(未畫出控制)從而在一個可控低壓下保持穿過冷凝器607的鍋爐進水連續(xù)性，該低壓也增大了穿過混合器602的混合工質604。結果旁路工質606與純凈水進流603的物質含量相匹配。鍋爐609 排出的混合器蒸汽工質608加入混合工質601和603以便把純凈水工質603 加熱到蒸發(fā)點。在所說的物質匹配條件下，用于該目的的少量蒸汽在所說的物質匹配條件下成為旁路工質606的一部分并增大了旁路工質606，這時606作為部分飽和蒸汽被導向進入火箭發(fā)動機噴管部分120的下游進口 (未畫出)。相應地，已增大工質606成為在一級動力源內與碳素物質610反應的主要H20反應劑。燃料611可以是任何燃料但兩級搡作優(yōu) 選地使用純凈燃料例如甲烷或天然氣。對于兩級搡作的第一級，氧化劑612 優(yōu)選地是氧氣。動力源通過分配裝置614排出燃料產物613,該分配裝置可以是鍋爐609的爐膛，或者簡單地把燃料產物輸送到遠離所說的裝置的鍋爐爐膛。
鍋爐所輸送的蒸汽615提供少量的滲漏608 (如前所述)，并且可進一步分流為蒸汽工質616并排出任選工質617,蒸汽工質616直接驅動渦輪600，工質617分流成工質618和619以滿足補償蒸汽要求。該任選工質617當然在為渦輪動力所必須時需要附加燃料供應613。
對于工質618有第二個更主要的選項，其中去除壓氣機裝置并在圖1 所示的噴射燃燒室602內排除燃燒。工質618 (高達全部鍋爐壓力)驅動射流從而一個大功率蒸汽噴射泵代替了火箭發(fā)動機。然而，在射流的下游并不排除燃燒，并且在下游可以實施燃燒以提高下游工質的溫度和推力。這個特性，雖然未畫出，但在本具體實施方案中可應用于次級動力源，在圖7的具體實施方案中同樣適用。
現在繼續(xù)描述圖6,在必要時在鍋爐609內部或者外部(未畫出)預凈化富蒸汽源氣620，它可分流成工質621和622。工質621被導入射流正下游噴管部分120的入口 (如圖1所示) 調節(jié)工質621和622以滿足與相應地導入守恒能量反應器中的工質622的反應性。次級反應器的其它反應方面類似于一級，并且一般地類似于圖l所述的動力源。
情況6—鍋爐具體實施方案的熱工質延伸部
在圖7所示的本具體實施方案中，利用一個具有熱工質延伸部的鍋爐結構來進一步改善系統(tǒng)效率。對于大型工業(yè)柴油發(fā)動機，在很寬工質范閨內利用一個標準工業(yè)增壓器來驅動該熱工質發(fā)動機氣化器。在本應用中，渦輪和壓氣機部分間置有一個常規(guī)燃燒室，設計對該燃燒室提供的燃料從而燃燒產物是化學相容的并且能在動力下絕熱流動，實際上除了最低程度的輻射外幾乎沒有熱損失以便提高鍋爐609的效率。
所述的渦輪增壓器發(fā)動機是一個簡單循環(huán)燃氣輪機，并可以用任何適宜的裝置啟動。與一個昂貴的傳統(tǒng)燃氣輪機(但并不排除)相比，最好使用該渦輪增壓器-燃氣輪機，因為據估計，一般地所預期的壓力都低于
4大氣壓。
參閱圖7,熱工質單元壓氣機700從管道701接收空氣，并在極限壓力下從管道703輸送部分空氣到燃燒室702。其余的空氣在同一壓力下被輸送到燃燒室704。通過管道705和706分別利用任何適宜的燃料單獨給燃燒室702和704提供燃料，但優(yōu)選地是與二氧化碳的比例為4比1的氳氣，通過次級火箭發(fā)動機動力源可提供該氫氣。相應地該產物具有很高的輻射勢能以便進行輻射傳熱。燃燒室704的產物通過一個與包含噴管夾帶單元707的次級入口連在一起的音速噴管排出。該噴管與燃燒室和次級夾帶口成為一個整體，這些次級夾帶口單獨地接收環(huán)境空氣708 和渦輪710的排氣709。
作為混合工質排出的超熱氣體(2000F以上)包括通過適宜裝置在通道內匯流在一起的704排出的燃燒產物、環(huán)境空氣708和渦輪排氣709, 并作為工質711繼續(xù)流動穿過熱交換器712，該熱交換器712進一步把鍋爐蒸汽713超超加熱到1600F以上。利用排氣714通過傳統(tǒng)熱交換器裝置可進一步熱回收以便滿足各種鍋爐需要。
上述過程完成了熱工質循環(huán)，實際上除了最低程度的輻射外該熱工質
循環(huán)的熱利用效率為100%,其中渦輪增壓器-燃氣輪機動力包括一個鄰近
鍋爐609的全能量轉化，該動力在原位轉化成熱能并成為總熱能的內在部分。
該熱工質的設計速度很高以便顯著提高熱交換器712內的傳熱速率。這是一個全能量系統(tǒng)，其中完全保持了增壓器燃氣輪機的動力熱當量，結果由于保持了用于產生必要超高速度所需的動力，故傳熱速率極高。結果，最終的好處是熱交換器可相對更小。作為主要因素的工質速度所要求的動力與速度的三次方成比例地升高。如上所述，這里由于保持了動力，故它不是一個成本因素。相應地，通過把這種強對流傳熱與上述高輻射傳熱結合在一起，可得到高達90000Btu每平方英尺每小時以上的熱流量。
如上所述，守恒能量反應器的熱工質延伸部有效地產生一個全水和能量回收系統(tǒng)。通過很高的熱流量可極大地降低了熱交換器712內的表面積，從而把投資成本降到最低。水及其所含的能量被內部再循環(huán)；完全保持了增壓器燃氣輪機的動力熱當量；如上所述，由于保持了為高速熱傳導(它與速度的三次方成比例地升高)所需的能量，故這里它不是一
個因素。把蒸汽溫度提高到1600F以上的主要優(yōu)點是，這在仍保留兩級
系統(tǒng)的守恒能量優(yōu)點和能把很低價格的燃料轉化成更有用產物的靈活性
的同時可以顯著提高渦輪輸出。當然也可以把該熱工質延伸部添加到圖5 所示的燃料電池裝置。
現在回到圖7并延伸該50MW實施例，與50MW的27.2俯比，基于 0. 5Bty/磅F的標稱比熱，下述計算表明了只升高400度達到1400F所得到的熱工質增益
E={[1717—1164]/[1717—218]}xl00=36.9%對于68麗
該數字不言自喻。以這種方式花費在燃料熱能上的每一美元都無損失地反映為等當量的電能。
現在來看圖9,它是圖4的一個延伸，并且對于圖2所示的作為從渦輪108排出的再壓縮排氣的工質212引入了三個選項。圖2和圖9所示的該再壓縮排氣被輸送到守恒能量反應器內，這作為工質916也是圖9 所示選項的其中之一。另外兩個選項是
1工質917,作為用于間熱的間接傳熱源
2工質918，作為用于間熱的直接傳熱源
母工質212可按比例分流成工質916和工質917、 918。這些工質選項的可控計量和調節(jié)(未畫出)是優(yōu)選的。另外，當選擇兩個選項以按比例分流渦輪108的排氣時，則可為每個工質提供單獨和附加的壓氣機 (未畫出)。這可以使一個工質的壓力顯著不同。
這些選項所提供的靈活性的主要優(yōu)點有
1對于化學和物質工質來說，它們促進了建立并保持主循環(huán)的連續(xù)
性；
2對于規(guī)定熱容量來說連續(xù)性是其固有性質，同時工質918特別是工質917提供了能轉化成附加膨脹動力的附加熱容量。通過在工質206處編程排氣使其包括一個等量物質而補償通過工質918進入循環(huán)內的附加物質。該循環(huán)排出作為工質919的間接熱工質以應用于進一步的回收；
3使所有或大部分的排氣離開守恒能量反應器和主再循環(huán)工質，可以輸送更多的母排出物和廢熱穿過管道207用于在主循環(huán)內的回收，從而把用于完成循環(huán)的外部附加熱能降低到最低程度。
通過提供單獨的壓氣機920和134也可以增強回收靈活性。為筒便起見，把它們表示在同一軸上。其主要要求是，通過同一渦輪108或者任何其它原動機來獨立地控制并驅動它們，只要通過該同一原動機也驅動壓氣機213并利用壓氣機213再壓縮它們的排氣。
現在再回到壓氣機920和134，從圖中可看到它們各自接收工質915 和209,工質915和209是從排氣部分207選擇性按比例分配的。每個壓氣機的一個目的是能夠輸送高達為循環(huán)所需的最高壓力，該最高壓力是對火箭發(fā)動機燃燒室102標明的相對無限高壓。相應地，第二個目的是從管道922把最少的物質輸送到燃燒室102內，并且把其余物質(它可進一步選擇性地分流以便輸送)在所選低壓下從404通過管道923輸入一個或多個次級口內到達火箭發(fā)動機噴管部分120;或者通過管道924輸入守恒能量反應器的選擇性進口。
上述替代方案的主要目的是充分利用火箭發(fā)動機5000F上限的熱力學優(yōu)點及其極限壓力能力以便支持為從壓氣機134 (它把更大部分的物質輸入循環(huán)內)排出的最小壓力所需的規(guī)定整體循環(huán)要求并且從而降低否則為渦輪108所需的動力。通過前面所述的下游噴射推力可進一步降低該動力。所產生的推力從而提高了工質的夾帶能力和動力以輸入到動力輸出渦輪。
正如上面對于批量生產分析以便優(yōu)化循環(huán)的討論那樣，上述關于圖9 的描述進一步說明了該兩個壓氣機所提供的為在循環(huán)內回收所選擇的、用于選擇性地分流渦輪排氣部分的高靈活性。
再回到乙烯的制備，進一步的概念涉及幾個功能以便任選地中斷用于生產的化學反應。
為了把化學反應設置到所規(guī)定的產物能力，這對于上面本發(fā)明所述的各種方式具有補充作用。除了涉及造成非平衡混合物例如烴類主要是乙烯的產物外,在生產合成燃料的過程中這些主要被處理為平衡相關的反應。
下文進一步延伸乙烯的處理。在系列部分中在更長的長度范圍上延伸跨音速工質，以便更好地控制熱解駐留時間的亳秒特性和進一步提高下游的所選長度從而繼續(xù)加速工質。
1在沖擊和短暫提高壓力之后超音速地流動以確保工質穿過至少一個連續(xù)跨音速噴管。
2作為一個替代方法，穿過下一個或最后一個de Laval噴管的工質對于某些反應可以適宜地加快速度，只要它是稍微的亞音速。
3當所有工質和相關噴管都被設計成在稍微亞音速下運行但在下游提高速度時，這種模式也是適宜的，從而熱解后的加速將更大以增強對反應的設置；
4再一個選項是設定一個在熱解區(qū)之后的沖擊，該沖擊在壓力稍微增加和稍微減速后仍能繼續(xù)加速氣流。
上述加速特別是熱解后加速的主要目的是通過他良應溫度降低而終止或"凍結"所設計的反應，方法是通過改變通道或管道的輪廓從而把壓頭變成動能。根據Raniere,緊接在最后一個沖擊區(qū)之后稍微增大壓力的作用是，通過相關的溫度增大來補償吸熱反應。只要其后有一個工質的加速和溫度的降低，這就成立。
在流體力學和/或氣體動力學領域的熟練技術人員可以在本發(fā)明范圍內實施對于上述選項的其它改變，只要實施加速的目的是原位冷卻以便終止該熱解反應。這樣就可去除對水霧淬冷(water mist quench)的需要或者把它降到最低程度。如果使用水霧淬冷，則其優(yōu)選作用是膨脹穿過渦輪的工質以便繼續(xù)降低溫度。
下文的評述支持上述把沖擊波用于熱解的觀點。Hertzberg、 Kamm、 Raniere和其他人指出了各種形式的沖擊活度，可以把他們的先進概念與 Millisecond Furnaces的技術進行比較。Millisecond Furrmces的技術雖然資金投入大，但已在市場上成功運行了多年，并且能挑戰(zhàn)任何要設計更簡單、更完整、更少資金投入的技術的竟爭性努力。
根據純流體力學的觀點，另一個簡單事實是，在Millisecond Furnace 的管道內的工質能完成熱解而不產生沖擊波。雖然在管道形狀方面窯爐在多倍進口和淬冷部分之間有差別，但考慮一個如Ennis等人在其標題為"通過亳秒熱解來制備烯烴"(Chemtech Magazine November, l975)的文章中所述的M.ff. Kellogg窯爐。管道是直線型的，內徑大約一英寸，長度約36英尺。為了大量生產乙烯，駐留時間為0.03-0.1秒。出口溫度范圍為870~ 925C。相應地，在36英尺內的平均速度，范圍從360到 1200英尺每秒。
音速為a=(gkRT/m)°5，對于在925C下的蒸汽，其音速為2700英尺每秒(Keenan和Kay氣體表)。因而對于恒定的gRT,產物的Mach 1隨著 k/m而變化，其中k《p/Cv, m是分子量。
以上述參考作為骨架，本發(fā)明中的工質，在沖擊波模式下，可以有 Mach3以上的起始Mach數，并選擇性地陡降到更低的Mach數以滿足最終的熱解區(qū)，接著使工質在相對驟增加速到渦輪進口之前有稍微的減速。相應地，可以認為熱解選擇性地發(fā)生在作為"瓶"沖擊或壓縮沖擊的最后沖擊區(qū)內，該沖擊區(qū)符合AscherH. Shapiro在其標題為"Normal Shocks in Ducts"的文章"壓縮流體工質的動力學和熱力學"卯.135- 137 1153~ 1156 (Ronald Press) 1954中所推薦的L/D比。
在系列中也可以提供超音速區(qū)以首先化先用于原位產生蒸汽的混合并且接著把進料與蒸汽相混合，其中計量輸入的進料的速度很低但足夠快以保證管道清潔，蒸汽-氫氣混合氣體在超音速速度下流動。在"瓶"沖
擊區(qū)內，管道內的邊界層被連續(xù)的沖擊所撞擊。當周緣地計量輸入進料時，可以預計這種作用可促進它向主流內的擴散并且通過在某些動能下進入一個低壓區(qū)可把邊界層的生長降到最低，但與超音速夾帶蒸汽相比，進料速度仍是相對低速。然而，當把進料導向到一個低壓區(qū)內時，可以選擇性地提高進料速度以便把進料更深地滲透到工質內以便進一步增強混合，特別是在進入一個沖擊區(qū)之前或者在一個沖擊區(qū)內。如上所述，根據本發(fā)明，熱解的另一個替代模式可以在超高亞音速速度下實施。進而，公認的觀點是增大熱速率可提高煤的轉化。參見Von Rosenberg 的美國專利4278466。如果對于一個*良好的煤顆粒有1500K的溫差，他認為能達到106K/sec的高加熱速率。在大約2米長的超音速擴壓器內，反應速率在0.6-2.4亳秒的范圍內。
在他遞交給美國能源部的報告(DE-AC 21-85 MC 22058, March, 1987) 中，他的研究小組達到了在約50亳秒內高達7096的煤轉化率。在DeLaval 噴管下游反應器到淬冷站的長度為80英寸長。試驗了高達約4大氣壓的壓力以及高達4000C的溫度。工質在Mach2. 27下進入超音速擴壓器，并在Mach2+下離開。
現在令人感興趣的是對于Hertzberg的美國專利5300216的乙烷進料蒸汽熱解反應器施加105K/sec的加熱速率。這是為了估計反應長度部分，該部分在該專利所給和所示的圖2B中是為了達到573C的溫升。該專利表明作為已混合乙烷和蒸汽溫度的峰值溫度1000C是從427C的正常沖擊溫升。所給的熱解溫度是863C。該圖表明從1000C到863C的下降是到863C處水平位置的歧點下降(cusp down)。其相應的壓力和Mach變化是從9bar和Mach0. 44變化到淬冷之前的10bar和Mach0.12。 1000C 和26. 7bar的蒸汽與381C的乙烷混合，造成混合后最終溫度如上所迷為 427C。在這個溫度下Mach數為2. 8。
通過參閱該專利附圖，可很容易理解上述描述。其觀點是要表明在沖擊波跨距范圍中不可能發(fā)生升高到1000C的溫升。相應地，利用具有應用前景的加熱速率105K/sec來測定溫度從427C升高到1000C的時間以及到圖2B所示沖擊線的相關距離。該沖擊線代表一個沖擊波，對于剛剛大于Machl的沖擊，Shapiro(p. 134)給出其厚度在10-5英寸以下。
該厚度也與分子間的平均自由路徑有關。對于Mach數在Mach2左右和以上的沖擊，厚度與平均自由路徑的比值為2。假定使用上述105C/sec 的加熱速率，則溫升所需時間大約為
t=573C/105C每秒=0. 0006秒或者0. 06毫秒
為了估計數量級，可以認為427C的混合物是1300R的蒸汽。根據 Keenan & Kaye表，所給的蒸汽音速為2100fps (英尺每秒)。Mach2. 8 x 2100fps=5880或6000fps
相關的反應器長度為
6000fpsx0. 0006秒=3. 6英尺
該長度與Von Rosenberg遞交給能源部的工作是在同一個數量級上。然而，如果溫升發(fā)生在10-5英寸的距離內，則該速率在為溫度升高573C 所需的速率以下。
這并不是懷疑該溫升，而是懷疑發(fā)生溫升的距離-時間關系。據推測，溫度在圖1和圖2B的所謂混合區(qū)內就開始升高。
在本發(fā)明中，比較Raniere的美國專利4724272的工作是值得的。與Von Rosenberg所做的一樣，他清楚地描迷了在多個沖擊區(qū)內的熱解. Raniere的圖lb表明，那里有穩(wěn)步的溫升，與速度的線性減速相對應。 Raniere在大多數開始發(fā)生多重沖擊或"瓶"沖擊的反應器中保持Mach2 以上的超音速速度。在進入一個收斂亞音速擴壓器之前工質的速度為亞音速。他的反應器每天處理1500噸的甲烷，在再循環(huán)甲烷和氫氣的同時產生43TPD (噸每天)的乙烯。他生成了在約3大氣壓下的Mach2工質來驅動射流，并且在500 ~ 2000C下進行熱解。
提及這些操作詳細信息是因為它們與Hertzberg的操作有極大的區(qū) 別。根據本發(fā)明，他們指出了一種工藝的可能性，該工藝提供了極大范圍的靈活性和控制，其進一步的優(yōu)點是便于按比例放大。該工藝并不排除使用沖擊而只是提出了反應器的一種替代具體實施方案，目的是加速高亞音速工質，該方案可以選擇性地使用沖擊以用于混合和/或熱解。但另一方面，通過進一步的具體實施方案可以在全然沒有沖擊下搡作該工
藝
為了保持本發(fā)明的全能量特征，在本文中對于生產乙烯(但在生產合成氣中也可以實施本發(fā)明工藝)，是在火箭發(fā)動機的燃燒室中在原位產生蒸汽。必要時，可以在火箭發(fā)動機噴管的正下游產生附加的蒸汽，在此處必要時可以加入附加熱能。
對于火箭發(fā)動機的優(yōu)選燃料是氫氣。因而如果需要更多的空間用于產生蒸汽，可以通過點燃相關的附加氳氣來提供它需要的熱，該相關氫氣可以是作為射流的一部分而流入(優(yōu)選地)，或者是在射流正下游添加的氫氣。對于上述的乙烯裂變具體實施方案，通過一個獨立的火箭發(fā)動機動力源提供該氫氣作為一級搡作。只要燃燒產物中沒有氧氣并且也與熱解功能化學相容，可以使用其它燃料。在某些熱解搡作中，微富氫氣的一個射流也是相容的。當在射流下游要求附加蒸汽時，對于后射流燃燒當然要增加其富氫程度。
本發(fā)明的說明一_在烴類關于音速和/或跨音速工質的熱解中，圖io是
用于在火箭發(fā)動機驅動跨音速模式下制備烴類的近似全能量蒸汽熱解閉路循環(huán)。圖中沒有涉及其中工質是近似音速并且連續(xù)地亞音速的替代模式。
當然，正如那些在氣體動力學領域知識淵博的人所易于理解的那樣，
尤其當有從氣體動力學原位轉變?yōu)榱黧w力學venturi型的亞音速工質時，這兩種模式的組合仍在本發(fā)明的范圍之內。現在論述圖10
1001是一個火箭發(fā)動機燃燒室，其設計溫度高達5000F并且是相對無限壓力。1002是一種DeLaval噴管，它被設計在MachO. 8 ~ 5范圍內。
通過把水噴射到火箭發(fā)動機燃燒室內而在1001內原位產生蒸汽。當在工藝中需要利用水產生附加蒸汽時，這在擴壓器1003內進行。在本情況下，利用DeLaval噴管在MachO. 8 ~ 0. 9+范圍內驅動并飼服該擴壓器， 1002和1003的組合包括一個其中計量輸入額外水以用來產生蒸汽的 venturi噴管。
如果不需要附加蒸汽，則把噴管1002和1003設計為產生Machl+~ 5 范圍內的超音速工質。
在每種情況下，噴管1004和擴壓器1005都是跨音速的以把超音速工質輸入管道1006，該管道優(yōu)選地橫截面一致(雖然允許是一種稍微擴張的管道)。在每種情況下，優(yōu)選地編程其設計和相關的工藝工質以便從1006 以亞音速工質的形式排出，在亞音速工質急劇匯集在1007內進入閉路膨脹渦輪1008之前在管道1006的延伸部(未畫出)通過稍微擴張可以增大該亞音速工質的壓力。膨脹渦輪1008的輸出功率P可任選地施加到渦輪增壓或者產生優(yōu)選地在本工藝內將被使用的電，AC或DC。
相應地，所描述的是一種用于近似全能量轉化的準閉路，其中主要動力源(與本發(fā)明和許多上述具體實施方案一致)是作為壓力-溫度陡降的火箭發(fā)動機動力源1001，其中渦輪1008把所說動力的一部分轉化成輸出動力P。正如精通傳統(tǒng)工藝工程的人所實際應用的那樣，該動力P可不需表明地被返回到該循環(huán)。
現在繼續(xù)論述該回路，工質流入冷凝器1009。利用箭頭表示冷卻水 (未用數字表示)，優(yōu)選地使用臨界并進一步加熱作為蒸汽源的冷卻水從而把蒸汽進給到一級火箭發(fā)動機動力源和守恒能量反應器內，該守恒能量反應器通過次級火箭發(fā)動機的管道1022把氬氣或含有氬氣的燃氣提供到燃燒室1001內。
點燃燃燒室1001所需的氧氣可以在系統(tǒng)壓力下在線輸入，或者通過前述具體實施方案的高效動力源把氧氣壓縮。對于這種模式，圖10中用
氧氣作為氧化劑。另一種替代模式一即使用氧氣的模式一需要一種類似的壓氣機裝置。
進一步的工藝涉及在下游加入附加氫氣1015并把它通過管道1003與進料一起分配到區(qū)1內的熱解反應和/或通過管道1004作為1016進入到區(qū)2內和/或通過1005進入到區(qū)3內。在每種情況下，與工藝中所有工質一樣通過適宜的裝置控制并計量該工質以便控制規(guī)定的化學計量。
管道103的另一種功能是對于射流1002按所需產生更多的蒸汽、生成高亞音速工質或者產生高超音速工質。裁剪每一種模式、每一種設計和相關工質要求以滿足一個設計工藝。這些功能在上文作為管道1002、 1003、 1004、 1005、 1006和1007的一種互聯系列已進行描述.
在下文進一步描述該系列在區(qū)1~4內特別是管道部分1003的左右端的作用。相應地，它收斂在右端以完成下列功能的任意一種
A借助于左端射流1002的總文丘里作用把高亞音速工質加速到并穿過其右端噴管末端；
B在管道1003的最大中間橫截面處產生一個適宜的高靜壓頭以便在右端噴管生成一個跨音速射流，從而產生一個高超音速工質從區(qū)1流到區(qū)2;并以超音速工質的形式繼續(xù)向前流動以選擇性地在區(qū)3內產生"瓶" 沖擊或一個正常沖擊。
C在射流1002處按所需產生一個適宜的高Mach數(高達5以上)，從而在當工質iiA右端產生一個轉化沖擊或者收斂管道1003的截面的期間保留足夠的靜壓頭以便在區(qū)1的右端噴管處選擇性地產生一個高亞音速速度或更低的超音速速度。
雖然剛才所述的陡降Mach系列值影響穿過區(qū)1的一個減速工質，但通過選擇與射流1002協調一致的火箭發(fā)動機燃燒室1001內的一個臨界壓力可以控制該陡降，從而穿過區(qū)1右端的工質是如上述一個高亞音速工質或者一個適宜的超音速工質。盡管減速，但管道1006和1007 (涉及區(qū)3和4)將進一步關聯并從而改變其輪廓以便如上述加速工質。這樣在 A〈B和C的情況下穿過區(qū)3和4的工質被類似地加速。進而，對于所有的情況，不管其中產生蒸汽與否，穿過區(qū)1的工質的上述功能都成立。
本發(fā)明的一個主要目的是提供一個寬范圍的進料和可產生寬范圍工質的制備工藝，以及便于利用原型按比例擴大。因而本發(fā)明絕不是限于4 個區(qū)，只要例如區(qū)3和4的功能變成區(qū)5和6的功能。這種情況下區(qū)1 將重復為區(qū)1和2，而區(qū)2和3變?yōu)閰^(qū)3和4。
另一方面，對于某些工藝可以實施更短的系列。相應地，中間區(qū)2可變成右端區(qū)l,從而舍去右端區(qū)1，等等。
在1010內分離從冷凝器1009排出的冷凝蒸汽和產物氣體。產物氣體主要是烴類，它被排出以進一步處理和利用.利用1011泵送分離的溫水使其成為溫水1013，以便在機站1012處旁路流走多余的水以后在噴管擴壓器1002~ 1003內再產生熱解蒸汽。圖中表明，回水工質1013被分流成工質1017用于高壓注射進入燃燒室1001內和/或作為射流正下流的高低壓工質。來自外部源的低壓水1014的目的主要是啟動和在以后起補償作用以便調整穩(wěn)態(tài)工質。
蒸汽1014的附加功能是通過控制閥D滲漏和旁路流出以便把由"瓶" 沖擊產生的邊界層降到最小程度或大部分去除，"瓶"沖擊在恒定面積管道中產生邊界層。可以通過穿孔、開槽或通過多孔介質強制輸入在該
46邊界層的開始或者穿過該邊界層噴射該蒸汽。
另一個具體實施方案使用蒸汽1021進行補償并且替代方案是有效地替換所有或大部分的原位生成蒸汽。在做到這一點的同時仍保留了本發(fā) 明的準全能量目的以及上面所述的流體和氣體動力學功能。
也可以用某些裝置內得到的臟蒸汽供給蒸汽進料1021。可以通過與熱解循環(huán)組合在一起的一個單獨熱蒸汽發(fā)生器或鍋爐提供純凈的蒸汽。相應地，現在把冷凝物1013在返回到鍋爐之前導入一個提純工藝而不是如圖IO所示的那樣流入火箭發(fā)動機復合裝置進行分配。
該鍋爐具體實施方案的優(yōu)點是它把用于熱解循環(huán)的氫氣數量降低到最低程度。在該優(yōu)選實施方案中對該鍋爐提供有它自己的火箭發(fā)動機動力源，對于本發(fā)明的其它鍋爐具體實施方案該火箭發(fā)動機動力源為該鍋爐輸送燃料。
當標明鍋爐只用于熱解循環(huán)時，通過其火箭發(fā)動機動力源輸送的優(yōu)選燃氣是氫氣和二氧化碳，因為它們可以過剩產生，從而旁流該過剩燃氣以點燃驅動熱解裝置的輔助火箭發(fā)動機。編程該點燃以調整或增加從鍋爐排出的并在通?？刂茰囟认逻M入該火箭發(fā)動機燃燒室的蒸汽的溫度。相應地該二氧化碳作為熱解介質補充并增大了鍋爐蒸汽。當氧化劑是空氣時，熱解介質變成為蒸汽、二氧化碳和氮氣。
也可以設計該鍋爐來產生附加蒸汽量以便驅動一個作為渦輪1008補充部分的蒸汽輪機，從而提供趨于該工藝全動力的調節(jié)。該鍋爐具體實施方案的另一個優(yōu)點是它把氧氣或空氣的需要量降低到最低程度并相應地把為驅動熱解裝置所用的火箭發(fā)動機所要求的機械壓縮降低到最低程度。
該熱解裝置也可以是附加到一個大型蒸汽發(fā)生裝置的小型工藝。相應地，可以實施所有上述功能和組合。
再回到非鍋爐具體實施方案，提供給驅動熱解裝置的火箭發(fā)動機的優(yōu) 選燃氣是氫氣和二氧化碳。點燃該氫氣以利用水原位產生蒸汽。相應地，
由于二氧化碳的補充，需要更少的蒸汽和更少的氫氣；當然，如果氫氣
與空氣一起點燃，由于如對鍋爐具體實施方案所述那樣氮氣對熱解介質的輔助作用，故蒸汽和氬氣的所需要量會再少。
該循環(huán)的主要動力源是在火箭發(fā)動機燃燒室產生的陡降溫度和壓力。該循環(huán)的控制參數是要為熱解反應所產生的規(guī)定溫度和壓力，而不論它在那里被編程產生。為了達到能為所需化學反應有力地增大熱解壓力的
程度，優(yōu)選地積聚壓力從而提高渦輪輸出動力使其趨于1011處所需的泵送壓力。在低壓反應中，通過控制管道1017內的工質趨于零的同時提高管道1018內的工質，可以接近動力平衡。當產生有足夠的動力以驅動壓氣機1020時能進一步改善該平衡，該壓氣機1020通過管道1014輸送裂化氣體。
上面沒有提到，可以再循環(huán)某些冷凝物并把它們用作在收斂管道1007 之前的淬冷介質，從而必要時作為一種附加方式幫助降低熱解后的工質溫度以便設置烴反應。增大穿過渦輪的物質流的作用是在某種程度上補償由于渦輪進口溫度的相關降低所造成的動力損失。
總之，對于圖10所示的次級或者通常最后一^X應器裝置，已給出了兩個主要的具體實施方案.在第一種情況下，第一級包括一個用于最后一級的陡降火箭發(fā)動機燃氣和動力源，并且在原位生成蒸汽。在第二種情況下，第一級包括一個鍋爐火箭發(fā)動機復合裝置，其中該鍋爐主要為第二級提供蒸汽和壓力；并且火箭動力源為該鍋爐提供燃料并為第二級提皿定的過剩燃氣。
每種兩級復合裝置都是一種用于平衡和非平衡化學工藝的準全能量反應器循環(huán)，其中實際上所有的在循環(huán)內部的機械壓縮能都首先轉化成熱能并且接著轉化成化學產物的化學能和感熱。
最后，那些熟悉流體力學、氣體動力學以及蒸汽制備的人員很容易就能推導出，在本發(fā)明一開始就論述的火箭發(fā)動機動力和燃料源，包括鍋爐變體，也能用于在涉及烴類和二烴類制備的熱解反應所用的如關于圖10 所述的平衡反應中進行動力學地控制.
總之，本發(fā)明的揭示涉及把動力以陡降的形式分配給例如一個或多個原動機、膨脹渦輪以便最終輸送的是電能或機械功。在該陡降作用內，碳氫化合物燃料或其它碳素物質經受到一種氣動熱化學驅動力、一個相對無限的臨界壓力和高達5000F的燃燒溫度以輸送相容組成的射流從而沖擊和/或夾帶在下游引入的碳素物質。結果制備出更經濟、更物理化學地適于原動機的燃氣。接著原動機的排氣適于一種循環(huán)，其中該排氣被再壓縮并在極限壓力下輸送到陡降的頂部。可以利用從旁路流出的部分排氣預熱進入循環(huán)的氧化劑和燃料以再壓縮排氣。用于再壓縮的燃料提供了所需頂部燃燒壓力的大部分。也可以使用類似計算的燃料以用于在
頂部射流下游一個或多個位置的射流推力夾帶；即，在頂部射流和渦輪
或其它原動機頭之間，在渦輪或其它原動機處在設計溫度和壓力下點燃
反應器可以轉化并提供用于任何目的的反應劑產物，產生或者不產生電能。進而，可以把廢熱用于與本發(fā)明那些所述反應類似的許多反應的所需吸熱熱能。提供氳氣和合成氣以制備氨氣、甲醇和其它石油化學產品。提供有乙烯、乙炔和其它裂化熱解產物用于下游精煉和石油化工操作。對于本發(fā)明，與固體例如氧化鐵、用于鋼廠的海綿鐵和燃料電池之間的混合反應也產生超常的結果。最后，主要取決于溫度和壓力以通過一個或多個跨音速區(qū)把反應驅動到完全。通過計量和可控的化學計量，利用反應在亳秒內發(fā)生并利用所述的強力氣體動力學作用，可以在相對短的時間間隔范圍內在工藝操作中產生動力學控制。在動力學地可控反應環(huán)境中的計量和多級化學計量造成自熱冷卻。如果需要，可以采取常規(guī)冷卻以凍結中間反應物質。另外，可以附加地使用催化劑以在稍低奇刻的操作條件下促逸良應并達到同時去除發(fā)f和其它污染物。
把本發(fā)明所述的動力源用于各種各樣的所有電能、化工工藝和其它工藝用途可以在工業(yè)上和世界范圍內滿足更大的需要。
權利要求
1.一種產生動力的設備，包括一個原動機；一個具有噴管和壓氣機裝置的火箭發(fā)動機；把燃料和氧化劑給送到該火箭發(fā)動機和該火箭發(fā)動機壓氣機裝置的裝置；把碳素物質、水、蒸汽或水-蒸汽的混合物給送到火箭發(fā)動機的裝置；把該原動機的熱排氣再循環(huán)到火箭發(fā)動機壓氣機裝置；把該壓縮排氣由所述裝置供入火箭發(fā)動機的裝置。
2. —種工藝，包括以下步驟a. 在一個絕熱通道內點燃一個火箭發(fā)動機以驅動一個氣體渦輪，或者一個或多個自由渦輪；b. 將所述排氣分離成一個最少氣流和最大氣流；c. 在至少獨立的原動機單獨地再壓縮每一種所述氣流，其中選擇所述最少氣流的大小并把它壓縮；d. 在極限壓力下將所述的壓縮的最小氣流輸送到所說的火箭發(fā)動機的燃燒室內；和e. 壓縮所述的最大氣流至比所述的最少氣流低得多的壓力；f. 輸送所述的壓縮的最大氣流進入一個或多個由所說火發(fā)動機產生的射流下流的次級口，從而所述的射流提供足夠的動量以推進所述的最大氣流與所述射流的組分相混合，并使混合氣流達到設計壓力以便輸送用于所述渦輪的所述動力。
3. 根據權利要求2的工藝，其中在所說通道內的下游進一步引入另外的獨立驅動的射流推力以增大所說發(fā)動機輸出的動量。
4. 根據權利要求2或3的工藝，其中利用所說的原動機也再壓縮從同一所說原動機排出的排氣用于輸入所說的通道內和/或用于作為一個直接和/或間接傳熱介質輸送到所說渦輪的級間。
5. 根據權利要求4的工藝，其中所說的火箭發(fā)動機和所說的通道配合以在改型燃氣輪機中替代燃氣輪機燃燒室。
6. 根據權利要求2或權利要求5的用于獨立地增大燃燒效率的工藝，其中與同一燃料的最大部分協調一致地選擇作為最少部分而在所說發(fā)動機內被點燃的燃料，其中把所說的最大部分輸送進入所說發(fā)動機的一個或多個次級口以與在所說通道內的水蒸汽互相混合并反應，從而轉化成一種能通過自動點燃而燃燒的燃料氣，和/或朝著所述通道的末端被點燃以進入所說的渦輪。
全文摘要
本發(fā)明涉及全能量燃料轉化系統(tǒng)的方法和設備。本發(fā)明在于把碳素物質轉換成燃料和石油化學產物并改善了動力供應系統(tǒng)的效率。本發(fā)明的方法包括在絕熱通道內點燃火箭發(fā)動機以驅動氣體渦輪或自由渦輪；將排氣分離成最少氣流和最大氣流；在原動機單獨地再壓縮每一種所述氣流，其中選擇所述最少氣流的大小并把它壓縮；在極限壓力下將所述壓縮的最小氣流輸送到所述火箭發(fā)動機的燃燒室內；壓縮所述最大氣流至比所述最少氣流低得多的壓力；輸送所述壓縮的最大氣流進入由所述火箭發(fā)動機產生的射流下流的次級口，從而所述射流提供足夠動量以推進最大氣流與射流的組分混合，并使混合氣流達到設計壓力以便輸送用于所述渦輪的所述動力。
文檔編號F02G5/00GK101307720SQ200810092140
公開日2008年11月19日申請日期1997年12月23日優(yōu)先權日1996年12月23日
發(fā)明者A·西里托, B·P·艾尼斯申請人:Egt發(fā)展有限責任公司

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