JP2003526035A - Progressive technology, contaminant-free and highly efficient industrial power generation system - Google Patents
Progressive technology, contaminant-free and highly efficient industrial power generation systemInfo
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- F25J3/04533—Integration with an oxygen consuming unit, e.g. glass facility, waste incineration or oxygen based processes in general for the direct combustion of fuels in a power plant, so-called "oxyfuel combustion"
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
- F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
- F25J2200/02—Processes or apparatus using separation by rectification in a single pressure main column system
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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- F25J2205/00—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means
- F25J2205/80—Processes or apparatus using other separation and/or other processing means using membrane, i.e. including a permeation step
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Abstract
(57)【要約】 低汚染物ガス発生機は、酸素リッチなガスと燃料との混合物の供給源を有しており、この酸素リッチなガスは空気中におけるより少ない窒素と空気中におけるより多い酸素とを含んでいる。上記混合物は燃焼室に流入して点火される。燃焼室に入る前に酸素と燃料とを混合することによってより効率的な燃焼が実現される。水が熱吸収媒体として用いられる。燃焼室からの主流ガスは第一段タービンを通ることによって膨張させられ、第二段タービンを通過することによる膨張の前に再熱される。主流ガスからの熱は水からなる補助流体流に伝達され、水は蒸気となって補助タービンを通過することによって膨張させられる。本発明のシステムによれば65%またはそれ以上の効率が得られる。さらに、このシステムからは汚染物がほとんど排出されないかまたは全く排出されない。さらに、同等の出力の従来の産業発電システムに較べてコンパクトである。 (57) [Summary] Low pollutant gas generators have a source of a mixture of oxygen-rich gas and fuel, this oxygen-rich gas being less nitrogen in the air and more in the air Contains oxygen. The mixture flows into the combustion chamber and is ignited. More efficient combustion is achieved by mixing oxygen and fuel before entering the combustion chamber. Water is used as a heat absorbing medium. Mainstream gas from the combustion chamber is expanded by passing through the first stage turbine and reheated prior to expansion by passing through the second stage turbine. Heat from the mainstream gas is transferred to an auxiliary fluid stream consisting of water, which is expanded as steam passes through the auxiliary turbine. With the system of the present invention, an efficiency of 65% or more is obtained. Furthermore, little or no contaminants are emitted from this system. Furthermore, it is more compact than conventional industrial power generation systems with equivalent output.
Description
発明の背景
一般に「スモッグ」と呼ばれる大気汚染はとくに大都市では深刻な問題である
。スモッグは大気中に褐色雲を形成してしまう二酸化イオウおよび酸化窒素を含
んでいる。スモッグの多くは乗用車、トラック、およびバスから出るのであるが
、他の源にはたとえば発電産業がある。これは電力を得るために石炭、天然ガス
、および/または石油を燃焼させる。 Background of the Invention Air pollution, commonly referred to as "smog," is a serious problem, especially in large cities. Smog contains sulfur dioxide and nitric oxide which form brown clouds in the atmosphere. Most smog comes from cars, trucks, and buses, but other sources include, for example, the power generation industry. It burns coal, natural gas, and / or oil to obtain electricity.
【0001】
長年にわたって発電には蒸気タービンおよびガスタービンが使用されている。
昔には、石炭、木材、ケロシンまたは他の石油生成物を燃やして適当な高圧下(
たとえば500〜1000PSIA(約3445〜6890kPaA))で水を
蒸気に変えるための熱を得ていた。このようにして得られた蒸気がタービン段ま
たは一連のタービン段に送られ、蒸気の熱エネルギがタービンの軸力としての機
械的エネルギに変換されていた。タービン軸は発電機に連結されており、タービ
ンの軸力は交流電流としての電力に変換されていた。この電力は毎日使用される
電気エネルギに変換されていた。For many years steam and gas turbines have been used for power generation.
In the old days, coal, wood, kerosene or other petroleum products were burned under moderate high pressure (
For example, 500 to 1000 PSIA (about 3445 to 6890 kPaA) was used to obtain heat for converting water into steam. The steam thus obtained was sent to a turbine stage or a series of turbine stages, and the thermal energy of the steam was converted into mechanical energy as the axial force of the turbine. The turbine shaft was connected to a generator, and the axial force of the turbine was converted into electric power as an alternating current. This power was converted into electrical energy used daily.
【0002】
昔の産業発電システムは、大ざっぱに設計された非効率なタービンを用いて低
圧低温で運転されていた。燃料の燃焼は火炎をかき立てるための試行錯誤に依っ
ていた。火炎によって得られる高温空気は水が流れる一連の配管に送られ、そこ
で水が蒸気に変えられていた。電力を製造するための全体の効率はきわめて低く
(燃料の低い燃焼熱の約10%)、周囲環境の汚染度は非常に高いものであった
。この時代では、公害は燃焼工程で生じる煙や霞および排気中の炭素塵によって
発生していた。[0002] Older industrial power generation systems operated at low pressure and low temperature using roughly designed inefficient turbines. The burning of fuel relied on trial and error to stir the flame. The hot air produced by the flame was sent to a series of pipes through which water was converted to steam. The overall efficiency for producing electricity was very low (about 10% of the low heat of combustion of fuel) and the pollution degree of the surrounding environment was very high. In this era, pollution was caused by smoke and haze from the combustion process and carbon dust in the exhaust.
【0003】
産業発電システムが発達するにつれてスモッグ、酸性雨、温室効果などが問題
となってきた。より効率的なタービン、燃焼室中の良好な火炎制御、および、多
くの熱交換システムの改良がこれら発電システムに対して、暗雲(未燃炭化水素
)の排出を最小限に抑えつつ全体効率を約30〜35%にまで押し上げる助けと
なった。しかしながら、スモッグ、酸性雨、温室効果は化石燃料と酸素とを使用
する既存の産業発電システムを悩まし続けている。With the development of industrial power generation systems, smog, acid rain, greenhouse effect, etc. have become problems. A more efficient turbine, better flame control in the combustion chamber, and many heat exchange system improvements will improve overall efficiency for these power generation systems while minimizing dark cloud (unburned hydrocarbon) emissions. It helped push it up to about 30-35%. However, smog, acid rain and the greenhouse effect continue to plague existing industrial power generation systems that use fossil fuels and oxygen.
【0004】
最近の発電技術の発達は、電力を得るために複合サイクル(combined cycle s
ystem )を使用するようになっている。複合サイクルを使用した発電システムの
一例が開示されている。たとえば、ガスタービンワールド( Gas Turbine World
)の1984年3−4月号の17〜22頁において、ビクトル・デ・ビアシの著
作によって「複合サイクル変換に対する実際の貢献の調査」( A Look into Rea
l Payoff for Combined Cycle Conversion)というタイトルで開示されている。
この文献を参照することによってその全体がここに組み込まれる。複合サイクル
システムは航空機に用いられているのと同様なガスタービンを初段動力発生機と
して使用する。一連の軸流圧縮機の段が流入空気の圧力をガス発生機中の燃焼圧
力にまで上昇させ、そこで燃料と混合した上で点火する。ここからの高温ガスは
一連のタービン段に排出され、そこで熱エネルギは軸力に変換される。この軸力
は発電機において電力に変換される。最終段タービンから排出される比較的温か
いガスは分離した蒸気源を加熱するために用いられ、蒸気はさらなる電力の発生
のために蒸気タービンを駆動する。そこから「複合サイクル」と呼ばれる。この
システムは発電のための全体システム効率を45〜50%にまで押し上げる。し
かしながら、このシステムは依然としてスモッグ、酸性雨、温室効果を生じる。
汚染を低減するために燃焼室内に触媒を用いて燃料からイオウを除去し、窒素酸
化物の生成を低減するために燃焼室に水を噴射する。これらの技術は期待が持た
れているが汚染物を完全に除去するには至らないであろう。したがって、以上の
従来技術よりさらに高効率の低汚染物産業発電システムが必要とされている。The recent development of power generation technology is to combine combined cycles to obtain electric power.
ystem). An example of a power generation system using a combined cycle is disclosed. For example, in the March-April 1984 issue of Gas Turbine World , pages 17-22, by Victor de Biasi, "A Look into Rea".
● Payoff for Combined Cycle Conversion).
Reference is made to this document in its entirety herein. The combined cycle system uses a gas turbine similar to that used in aircraft as the first stage power generator. A series of axial compressor stages raise the pressure of the incoming air to the combustion pressure in the gas generator, where it mixes with fuel and ignites. The hot gas from here is discharged to a series of turbine stages, where the thermal energy is converted into axial forces. This axial force is converted into electric power in the generator. The relatively warm gas exiting the last stage turbine is used to heat a separate steam source, which drives the steam turbine for additional power generation. From there it is called the "composite cycle". This system boosts the overall system efficiency for power generation to 45-50%. However, this system still produces smog, acid rain and the greenhouse effect.
A catalyst is used to remove sulfur from the fuel to reduce pollution and water is injected into the combustion chamber to reduce the production of nitrogen oxides. These technologies hold promise, but will not completely eliminate pollutants. Therefore, there is a need for a low-pollutant industrial power generation system that is even more efficient than the above conventional techniques.
【0005】
汚染物の発生に加えて、従来の産業発電システムは比較的大型であり、数百メ
ガワットまたはギガワット出力のシステムはかなり広い敷地を占有してしまう。
たとえば産業発電システムの不用意な遮断( shut down)は、もしこの遮断に対
する補償のための他の発電システムが電力ネットワークに組み込まれていなけれ
ば、消費者へ提供される電力の質に対して衝撃を与えかねない。さらに、これら
の産業発電システムは電車や船舶のような小さな消費者が所有するシステムとし
ては大きすぎる。したがって、個人商店、学校および宿泊施設は仕方なく外部の
電力源に頼らざるを得ない。これらの外部電力源は、消費者への送電に多くの電
力を消費してしまう複雑な配電システムを持っている。さらに、消費者はその外
部電力源からの電力に対して法外に高額な料金を支払わざるを得ない。In addition to the generation of pollutants, conventional industrial power generation systems are relatively large, and systems with hundreds of megawatts or gigawatts of output occupy a fairly large lot.
For example, an unintentional shut down of an industrial power generation system can impact the quality of power provided to consumers if no other power generation system for compensation for this shutdown is integrated into the power network. Could give you. Moreover, these industrial power generation systems are too large for systems owned by small consumers such as trains and ships. Therefore, private stores, schools and accommodations are forced to rely on external power sources. These external power sources have complex distribution systems that consume large amounts of power to transmit to consumers. Moreover, consumers are forced to pay exorbitantly high prices for electricity from their external sources.
【0006】
したがって、現産業発電システムに対して、(1)低汚染物または無汚染物、
(2)さらなる高効率、(3)コンパクト化、(4)長寿命、低メンテナンスコ
スト、低運転コスト、および(5)起動停止のための時間の短縮化、が必要とさ
れている。Therefore, for the present industrial power generation system, (1) low pollutants or non-pollutants,
There is a need for (2) higher efficiency, (3) compactness, (4) long life, low maintenance cost, low operating cost, and (5) shortening the time for starting and stopping.
【0007】
発明の概要
本発明によれば、低汚染物産業発電システムは、燃料源と、空気中におけるよ
り少ない窒素(たとえば窒素が無い)および空気中におけるより多い酸素を含ん
でいる酸素リッチなガスの供給源とを有している。混合ユニットは少なくとも酸
素リッチなガスおよび燃料を受け入れ、これらを混合して混合物を生成するよう
に構成されている。ある実施形態では、酸素リッチなガスは燃料と混合される前
に蒸気と混合される。燃焼室は弁を介することによって選択的に混合ユニットと
連通させられる。燃焼室内では、噴射機面の下流で混合物に点火するように点火
装置(イグナイタ)が配設されている。一実施形態では、上記システムが閉ルー
プシステムにされ、汚染物を排出しない。[0007] SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the invention, the low contaminant industrial power generation system includes a fuel source, oxygen rich containing oxygen more in less nitrogen (e.g., nitrogen no) and in the air than in air And a gas supply source. The mixing unit is configured to receive at least oxygen-rich gas and fuel and mix them to form a mixture. In some embodiments, the oxygen-rich gas is mixed with steam before it is mixed with the fuel. The combustion chamber is selectively in communication with the mixing unit via a valve. In the combustion chamber, an igniter (igniter) is arranged so as to ignite the mixture downstream of the injector surface. In one embodiment, the system is a closed loop system that does not emit contaminants.
【0008】
本発明によれば、低汚染物産業発電方法は、燃料源と空気中におけるより少な
い窒素と空気中におけるより多い酸素とを含んでいる酸素リッチなガスの供給源
とを提供することを含んでいる。混合ユニットは少なくとも酸素リッチなガスと
燃料とを受け入れて混合し、混合物を生成する。燃焼室壁は、混合ユニットから
酸素リッチなガスと燃料との混合物を受け入れる燃焼室を画する。燃焼室内のイ
グナイタは噴射機面の下流の混合物に点火する。According to the present invention, a low pollutant industrial power generation method provides a fuel source and a source of oxygen rich gas comprising less nitrogen in air and more oxygen in air. Is included. The mixing unit receives and mixes at least oxygen-rich gas and fuel to produce a mixture. The combustion chamber wall defines a combustion chamber that receives a mixture of oxygen-rich gas and fuel from the mixing unit. An igniter in the combustion chamber ignites the mixture downstream of the injector face.
【0009】
ここで述べられる好適な実施形態では、蒸気(熱吸収媒体)と酸素リッチなガ
ス(たとえば、実質的に純粋な酸素)が一のチャンバ内で混合され第二のチャン
バに導入される。第二チャンバでは燃料(たとえばメタン)が添加されて混合さ
れる。均一に混合された混合ガスは噴射機面を通して燃焼室内へ噴射され、そこ
ではイグナイタ(典型的には必ずしも必要ではない)によって噴射機面の中央で
燃焼が開始させられる。燃焼室の圧力は約3300PSIA(約22737kP
aA)のオーダーである。In the preferred embodiment described herein, vapor (heat absorbing medium) and oxygen rich gas (eg, substantially pure oxygen) are mixed in one chamber and introduced into the second chamber. . Fuel (eg, methane) is added and mixed in the second chamber. The uniformly mixed gas mixture is injected through the injector face into the combustion chamber where an igniter (typically not necessary) initiates combustion at the center of the injector face. The pressure of the combustion chamber is about 3300 PSIA (about 22737 kP
aA) order.
【0010】
公知の空気と燃料との混合物はを燃焼させるときは、主に空気中の不活性窒素
(空気中の78体積パーセント)が熱吸収媒体となり、燃焼によって生じる熱の
大きい部分を吸収する。この窒素は、このようにして、熱吸収媒体が用いられな
いときの燃焼に較べて燃焼温度を低下させることになる。本発明の産業発電シス
テムは熱吸収媒体として作用する窒素を低減するかまたは除去する。それに代え
て、水のような窒素ではない熱吸収媒体が用いられ、窒素酸化物の排出を低減す
る。本発明の特徴として、水が燃焼工程において添加される。酸素/燃料の混合
物中の水分は、空気/燃料の混合物中の窒素よりも大変効果的な熱吸収媒体とな
る。水分は単位体積当たりにより多くの熱を吸収するからである。水分は燃焼工
程における生産物であるから、この水分を以下に詳述する方法によって単純に発
電サイクルの終端から燃焼の入口に循環するだけでよい。したがって、好適な実
施形態は窒素酸化物を低減または除去し、燃焼熱を吸収する効果的な方法を提供
する。加えて、燃焼室に入る前に燃料と酸素とを混合すれば効率的な燃焼が促進
され、それによって発電システムの燃焼効率が向上する。When a known mixture of air and fuel is burned, mainly inert nitrogen in the air (78% by volume in the air) serves as a heat absorption medium, and absorbs a large part of heat generated by the combustion. . This nitrogen will thus lower the combustion temperature compared to combustion when no heat absorbing medium is used. The industrial power generation system of the present invention reduces or eliminates nitrogen, which acts as a heat absorbing medium. Instead, a non-nitrogen heat absorbing medium such as water is used to reduce nitrogen oxide emissions. As a feature of the present invention, water is added in the combustion process. Moisture in an oxygen / fuel mixture is a much more effective heat absorbing medium than nitrogen in an air / fuel mixture. This is because water absorbs more heat per unit volume. Since water is a product of the combustion process, it simply needs to be circulated from the end of the power generation cycle to the combustion inlet by the method detailed below. Thus, the preferred embodiment provides an effective method of reducing or eliminating nitrogen oxides and absorbing heat of combustion. In addition, mixing the fuel and oxygen before entering the combustion chamber promotes efficient combustion, which improves the combustion efficiency of the power generation system.
【0011】
産業用ガス発生機は、液相の熱吸収媒体の供給源(たとえば、一例としては貯
水タンクであるが、他の適当な液体を用いてもよい)を備えている。燃焼室壁は
燃焼室を画し、貯水タンクと燃焼室とを連通するチャンネルを有しており、水が
貯水タンクから燃焼室へ至るようになっている。液相の熱吸収媒体(たとえば水
)は上記チャンネルを通って噴射させられる。液相の熱吸収媒体がチャンネルを
通過するときに燃焼室壁を透して燃焼室から熱を吸収する。熱吸収媒体が燃焼室
内に噴射される前に蒸発するので、燃焼室壁が冷却される。The industrial gas generator is equipped with a source of liquid phase heat absorbing medium (eg, a water tank as an example, but other suitable liquids may be used). The combustion chamber wall defines the combustion chamber and has a channel that connects the water storage tank and the combustion chamber, so that water flows from the water storage tank to the combustion chamber. A liquid phase heat absorbing medium (eg, water) is injected through the channels. When the liquid-phase heat absorption medium passes through the channels, it absorbs heat from the combustion chamber through the walls of the combustion chamber. Since the heat absorbing medium evaporates before being injected into the combustion chamber, the combustion chamber wall is cooled.
【0012】
産業用ガス発生方法は、液相の熱吸収媒体を供給する工程と、燃焼室壁を透し
て液相の熱吸収媒体を燃焼室へ至らせる工程とを含んでおり、それによって燃焼
室壁を冷却するものである。典型的には、液相の熱吸収媒体は燃焼室壁に形成さ
れたチャンネルを通って燃焼室へ至る。上記熱吸収媒体は複数の上記チャンネル
を通るときに液体から気体に変化するので燃焼室壁を冷却する。The industrial gas generation method includes a step of supplying a liquid phase heat absorbing medium and a step of passing the liquid phase heat absorbing medium to the combustion chamber through a wall of the combustion chamber. It cools the walls of the combustion chamber. Typically, the liquid phase heat absorbing medium reaches the combustion chamber through channels formed in the wall of the combustion chamber. As the heat absorbing medium changes from liquid to gas as it passes through the plurality of channels, it cools the walls of the combustion chamber.
【0013】
この種の冷却はしみ出し冷却と呼ばれる。水はこの目的には非常に効果的であ
る。その顕熱吸収はもとより潜熱吸収も利用できるからである。潜熱は液相水の
蒸発、および/または、飽和蒸気の凝縮に要する熱(通常はBTU/水1ポンド
(約1.058kJ/水4.445N)の単位で示す)をいう。水の場合は1ポ
ンド(約4.445N)あたり900〜1000BTU(約952〜1058k
J)である。これと同等の熱交換のためには水の顕熱にして1900°Fの温度
変化を要する。したがって、本発明では、その発電システム中の燃焼温度を燃焼
室壁材料の融点よりも高くすることさえ可能となる。なぜなら、適切な水流がこ
の壁の開口部を通して燃焼室内に供給されることにより、この壁は融点以下に冷
却されるからである。This type of cooling is called seepage cooling. Water is very effective for this purpose. This is because not only the sensible heat absorption but also the latent heat absorption can be used. Latent heat refers to the heat required to evaporate liquid phase water and / or condense saturated vapor, usually in units of BTU / pound of water (about 1.058 kJ / 4.445 N of water). For water, 900-1000 BTU (about 952-1058k) per pound (about 4.445N)
J). For heat exchange equivalent to this, a sensible heat of water requires a temperature change of 1900 ° F. Therefore, the present invention even allows the combustion temperature in the power generation system to be higher than the melting point of the combustion chamber wall material. This is because the wall is cooled below its melting point by supplying a suitable water flow through the opening in this wall into the combustion chamber.
【0014】
本発明においては、低汚染物産業発電システムはガス発生機を備えている。こ
のガス発生機は主流ガスを発生するように構成された燃焼室部分を有している。
第一段タービンが燃焼室の下流に位置し、リヒータ(再熱機)が第一段タービン
の下流に位置し、第二段タービンがリヒータの下流に位置し、熱交換器が第二段
タービンの下流に位置している。この熱交換器は主流ガスからの熱を補助流体流
に伝達するように構成されている。補助段タービンは補助流体流を受け入れ、こ
の補助流体から追加の電力を発生するようになる。In the present invention, the low pollutant industrial power generation system includes a gas generator. The gas generator has a combustion chamber portion configured to generate mainstream gas.
The first-stage turbine is located downstream of the combustion chamber, the reheater (reheater) is located downstream of the first-stage turbine, the second-stage turbine is located downstream of the re-heater, and the heat exchanger is the second-stage turbine. It is located downstream. The heat exchanger is configured to transfer heat from the mainstream gas to the auxiliary fluid stream. The auxiliary stage turbine receives the auxiliary fluid stream and produces additional power from the auxiliary fluid.
【0015】
本発明の一実施形態では、産業発電方法が、主流ガスを生成するために燃焼室
内のガスを燃焼させる工程と、燃焼室からの主流ガスを第一段タービンを通して
膨張させる行程と、第一段タービンからの主流ガスを再熱する工程と、上記再熱
された主流ガスを第二段タービンを通して膨張させる行程と、第二段タービンか
らの主流ガスの熱を補助流体流へ伝達する工程と、補助流体流を補助段タービン
内で膨張させる行程とを含んでいる。各段において電力が発生し、それによって
全発電システムの効率が従来技術に較べて向上する。In one embodiment of the present invention, an industrial power generation method comprises a step of burning gas in a combustion chamber to generate a mainstream gas, and a step of expanding mainstream gas from the combustion chamber through a first stage turbine, Reheating the mainstream gas from the first-stage turbine, the process of expanding the reheated mainstream gas through the second-stage turbine, and transferring the heat of the mainstream gas from the second-stage turbine to the auxiliary fluid flow The process and the step of expanding the auxiliary fluid stream in the auxiliary stage turbine. Electricity is generated in each stage, which improves the efficiency of the entire power generation system as compared to the prior art.
【0016】
タービンは熱を機械的エネルギに変換して発電機を駆動する。各段のタービン
により、ガスの熱含有量が増加的に減少するためガスの温度は低下する。それに
よって後段の各タービンにおいてそれぞれ引き出しうるエネルギが減少する。段
間にリヒータを介装することによってガスのエネルギが増加する。それにより、
後段においてより多くの総電力を得ることができる。好適な実施形態においては
、再熱は酸素リッチな主流ガスに少量の燃料を添加することによってなされる。
ガスの添加温度はリヒータ中の実際のガス温度より低いので、外部からの点火源
を要することなく瞬時に燃焼が発生する。各タービン段を通過するときの圧力比
は本質的に一定であるため、各段で引き出される内部動力は入口圧力が同一であ
れば本質的に同一となる。一方、リヒータがなければ各段で引き出されるエネル
ギは連続的に減少し、全体的に総効率が低いものとなる。Turbines convert heat into mechanical energy to drive generators. The turbines in each stage reduce the gas temperature as the heat content of the gas decreases incrementally. As a result, the energy that can be extracted from each of the subsequent turbines is reduced. The energy of gas is increased by interposing a reheater between the stages. Thereby,
More total power can be obtained in the latter stage. In the preferred embodiment, reheat is accomplished by adding a small amount of fuel to the oxygen rich mainstream gas.
Since the gas addition temperature is lower than the actual gas temperature in the reheater, combustion occurs instantly without the need for an external ignition source. Since the pressure ratio as it passes through each turbine stage is essentially constant, the internal power drawn at each stage is essentially the same if the inlet pressure is the same. On the other hand, without the reheater, the energy extracted at each stage is continuously reduced, and the overall efficiency is low.
【0017】
補助蒸気発電は、第一段および第二段のタービンによってほとんどの圧力が消
費された後の主流ガス中に残っている熱のほとんどを電力に変換する。主流ガス
は、蒸気発電システム中の蒸気への熱交換を通じて本来的な周囲条件に戻される
。主流ガスの熱および圧力を使用することによって発電システムの全体の効率が
向上する。Auxiliary steam power generation converts most of the heat remaining in the mainstream gas into electricity after most of the pressure has been consumed by the first and second stage turbines. Mainstream gas is returned to its original ambient conditions through heat exchange with steam in a steam power system. Using the heat and pressure of the mainstream gas improves the overall efficiency of the power generation system.
【0018】
全てのポンプを駆動するための電力はシステムの全出力に較べると無視できる
程度のものである。本発明によれば、システムは広い電力出力範囲をもって構成
されることになる。本発明にかかる典型的なシステムは全出力としてたとえば1
2.56メガワットの電力を出すが、ポンプによって使用される電力は約195
kWであるから、結果的にネットの電力出力はたとえば12.36メガワットと
なる。好適な実施形態のサイクル効率は、空気から酸素を分離するために必要な
電力を考慮しなければ初期算出値では68.7%となる。空気から酸素を分離す
るために必要な電力を減ずれば約65%へ低下する。この好適な実施形態の効率
は、汚染物を排出しないにも拘わらず既存のシステムのそれより高いものである
。タービンの冷却によってタービン入口温度を高くし、しかも、タービンブレー
ドに高温用セラミックスを用いることにより、性能を一層高めることができる。The power to drive all pumps is negligible compared to the total output of the system. According to the present invention, the system will be configured with a wide power output range. A typical system according to the invention has, for example, a total output of 1
It produces 2.56 MW, but the power used by the pump is about 195
Since it is kW, the net power output is, for example, 12.36 MW. The cycle efficiency of the preferred embodiment is 68.7% initially calculated without taking into account the power required to separate oxygen from air. The power required to separate oxygen from air is reduced to about 65%. The efficiency of this preferred embodiment is higher than that of existing systems, even though it does not emit pollutants. By increasing the turbine inlet temperature by cooling the turbine and using high temperature ceramics for the turbine blade, the performance can be further enhanced.
【0019】
本発明の趣旨は特許請求の範囲の記載および以下の詳細な説明によってより詳
細に説明される。The spirit of the invention is explained in more detail by the claims and the following detailed description.
【0020】
発明の詳細な説明
本発明によれば、大気にスモッグを生じさせることのないコンパクトなシステ
ムによって効率的に電力を発生する。本発明のシステムの全体的な説明は、まず
、各サブシステムに関する図を参照しながらの下記詳述によってなされる。According to detailed description of the invention The invention efficiently generates power by not compact system of causing smog to the atmosphere. A general description of the system of the present invention will first be given by the following detailed description with reference to the figures relating to each subsystem.
【0021】
スモッグの問題を解決することを狙った発電システムが、1998年1月20
日に発行された米国特許第5,709,077号に開示されている。そのタイト
ルは「低公害水素ガス発生機(以下、バイチェル特許( Beichel Patent )とい
う)」この出願内容の全体は参照することによってここに合体される。バイチェ
ル特許においては、高圧の液体の酸素及び燃料が燃焼のためにガス発生機の燃焼
室に送られる。燃焼の後、熱エネルギによって発電機を駆動するタービンをガス
の主流(主流ガス)が通過する。酸素および燃料は燃焼室に送られる前には混合
されていない。A power generation system aiming at solving the problem of smog was introduced on January 20, 1998.
It is disclosed in U.S. Pat. No. 5,709,077, issued date. Its title is "Low Pollution Hydrogen Gas Generator (hereinafter Beichel Patent)", the entire content of this application is incorporated herein by reference. In the Bachel patent, high pressure liquid oxygen and fuel are sent to the combustion chamber of a gas generator for combustion. After combustion, a mainstream of gas (mainstream gas) passes through a turbine that drives a generator with thermal energy. Oxygen and fuel were not mixed before being sent to the combustion chamber.
【0022】
本発明は燃料(たとえば、化石燃料か、または炭素および水素を含んだ混合物
が混在した燃料であってその混在物の少なくとも一種が炭素原子である燃料)を
燃やすために空気ではなく酸素リッチなガスの中の酸素を用いる。上記酸素リッ
チなガスは空気に較べて窒素の含有率が大変少ない(窒素のモルパーセンテージ
が10%以下、1%以下、または0%のものまである)。窒素含有率が低いほど
窒素酸化物の発生が少ない。酸素リッチなガスと燃料とは混合されてから燃焼室
へ送られ、そこで点火されて燃やされる。一実施形態において、酸素は燃料と理
論条件よりも高く混合される。すなわち、酸素は全燃料量が完全燃焼するために
必要な量より若干多くされる。The present invention uses oxygen rather than air to burn fuel (eg, fossil fuels, or fuels in which a mixture containing carbon and hydrogen is mixed, where at least one of the mixtures is a carbon atom). Use oxygen in rich gas. The oxygen-rich gas has a much lower nitrogen content than air (the nitrogen has a molar percentage of 10% or less, 1% or less, or even 0%). The lower the nitrogen content, the less the generation of nitrogen oxides. The oxygen-rich gas and fuel are mixed and then sent to the combustion chamber where they are ignited and burned. In one embodiment, oxygen is mixed with the fuel above the theoretical conditions. That is, oxygen is made slightly larger than the amount required for complete combustion of the total fuel amount.
【0023】
本発明の趣旨を述べるにおいて、好適な一実施形態を例として説明する。この
好適な実施形態は実質的に汚染物ゼロ、高効率(たとえば70%以上)およびネ
ット(正味)出力が12.36メガワットの産業用発電システムである。この好
適な実施例は単なる例である。当業者が想到し得るであろう本実施形態の多くの
変形例や改良例は本発明の範囲内においてなされ得る。In describing the gist of the present invention, a preferred embodiment will be described as an example. This preferred embodiment is an industrial power generation system with substantially zero pollutants, high efficiency (eg 70% or more) and net (net) output of 12.36 MW. This preferred embodiment is merely an example. Many modifications and improvements of the present embodiment that can be thought by those skilled in the art can be made within the scope of the present invention.
【0024】
全体のシステムは、酸素製造システム、ガス発生システム、主発電システム、
および補助発電システムからなる四つのサブシステムから形成されている。各サ
ブシステムは各自の特徴により、本発明の発電システムの効率および低公害に関
して従来技術から向上させることに寄与している。これらのサブシステム、およ
びサブシステムの相互関係を以下に説明する。
A.酸素製造システム
図1は産業用の発電システム1およびこのシステム1内で実行されるプロセス
の全体を概略的に示す図である。図2は酸素製造システム20(酸素リッチなガ
ス源20)を示しており、これは図1に示す全発電システム1の一部である。こ
の酸素製造システム20は空気を高圧の酸素ガスに変換する。12.56メガワ
ットの電力を発生する好適な実施形態においては、酸素製造システム20は1秒
当たり3.4ポンド(lbm/s)(約15N/s)の酸素を製造する。The whole system includes an oxygen production system, a gas generation system, a main power generation system,
And an auxiliary power generation system. Each subsystem contributes to the efficiency and low pollution of the power generation system of the present invention over the prior art by virtue of its own characteristics. These subsystems and their interrelationships are described below. A. Oxygen Production System FIG. 1 is a schematic diagram showing an industrial power generation system 1 and an overall process executed in the system 1. FIG. 2 shows an oxygen production system 20 (oxygen-rich gas source 20), which is part of the total power generation system 1 shown in FIG. The oxygen production system 20 converts air into high pressure oxygen gas. In the preferred embodiment, which produces 12.56 megawatts of power, oxygen production system 20 produces 3.4 pounds per second (lbm / s) of oxygen.
【0025】
酸素製造システム20において、例えば環境からの空気がフィルタ/ドライヤ
101を通過することによって最初に乾燥、浄化される。フィルタ/ドライヤ1
01はドライヤ部とフィルタ部とを備えた二段システムであってもよい。ドライ
ヤ部は空気中のほとんどの湿分( H2O)を吸収するシリカゲルを含めておいて
もよい。フィルタ部は空気中の粒子を除去する。図1に示すように、酸素製造シ
ステム20がフィルタ/ドライヤ101の稼働時に運転するために、または、空
気の取り入れ量を増加することを可能にするために、フィルタ/ドライヤ101
に余分のフィルタ/ドライヤ101aを備えてもよい。In the oxygen production system 20, for example, air from the environment is first dried and purified by passing through the filter / dryer 101. Filter / Dryer 1
01 may be a two-stage system including a dryer unit and a filter unit. The dryer section may contain silica gel which absorbs most of the moisture (H2O) in the air. The filter part removes particles in the air. As shown in FIG. 1, the filter / dryer 101 may be used to operate the oxygen / production system 20 during operation of the filter / dryer 101, or to allow for increased air intake.
May include an extra filter / dryer 101a.
【0026】
低圧圧縮機102は清浄空気を受け入れてたとえば25〜40PSIA(約1
72〜276kPaA)に圧縮する。連続膜柱103は圧縮空気を受け入れてほ
とんどの窒素を濾過する(除去する)。アルゴン、酸素、水分、二酸化炭素およ
び約20%の窒素が連続膜柱103の出口104を通過する。The low pressure compressor 102 receives clean air and receives, for example, 25-40 PSIA (about 1
72-276 kPaA). The continuous membrane column 103 receives compressed air and filters (removes) most of the nitrogen. Argon, oxygen, moisture, carbon dioxide and about 20% nitrogen pass through the outlet 104 of the continuous membrane column 103.
【0027】
連続膜柱は通常は市場で調達することができ、また、空気から効果的に酸素リ
ッチなガスを抽出することができる。図2に示すように、連続膜柱103の左側
の四分の一体103i、103iiおよび右側の四分の一体103iii、103ivは
、キャピラリ、すなわち中空糸の膜103aによって分けられている。流れは一
般的に左上四分の一体103iから左下の四分の一体103ii に流下し、そして
、一般的に右下の四分の一体103iiiから右上の四分の一体103iv に向けて
上昇する。空気は上部および下部の左側四分の一体同士の間に供給される。そし
て左下の四分の一体に向けて降下する。低圧圧縮機105により、ガスが膜10
3aを透過することが促進されるように陰圧または負圧が生じさせられる。酸素
は窒素よりも早く透過するので、窒素に較べると不釣り合いな大容量の酸素が左
下の四分の一体103iiから膜103aを透過して右下の四分の一体103iii
へ流れる。下流の流量および左下の四分の一体103iiの長さによって規定され
る時間内に膜103aを透過しないガス(例えば窒素)は、連続膜柱103から
左下四分の一体103iiの下部の排気弁103bを通して排出される。酸素リッ
チなガスは出口104を通って上方に向かい、低圧再循環ポンプ105に流入す
る。Continuous membrane columns are usually available on the market and can effectively extract oxygen-rich gas from air. As shown in FIG. 2, the left quadrants 103i and 103ii and the right quadrants 103iii and 103iv of the continuous membrane column 103 are separated by capillaries, that is, hollow fiber membranes 103a. The flow generally flows down from the upper left quadrant 103i to the lower left quadrant 103ii, and generally rises from the lower right quadrant 103iii to the upper right quadrant 103iv. Air is supplied between the upper and lower left quadrants. Then it descends toward the lower left quadrant. The low pressure compressor 105 causes the gas to pass through the membrane 10.
Negative or negative pressure is created so as to facilitate permeation through 3a. Since oxygen permeates faster than nitrogen, a large amount of oxygen, which is disproportionate to that of nitrogen, permeates the membrane 103a from the lower left quadrant 103ii to the lower right quadrant 103iii.
Flows to. Gas (eg, nitrogen) that does not permeate the membrane 103a within the time defined by the downstream flow rate and the length of the lower left quadrant 103ii is from the continuous membrane column 103 to the lower exhaust valve 103b of the lower left quadrant 103i. Exhausted through. Oxygen-rich gas flows upward through outlet 104 and into low pressure recirculation pump 105.
【0028】
出口104における酸素リッチなガスの圧力は約15PSIA(約103kP
aA)である。低圧循環ポンプ105は酸素リッチなガスの主流を約25〜40
PSIA(約172〜276kPaA)に増圧する。出口104を通過する酸素
リッチなガスの定常酸素の含有量を増すために、再圧縮されたガスの一部(たと
えば50%)が連続膜柱103に戻るように再循環し、連続膜柱103の左上四
分の一体の中に流れ込む。左上四分の一体103i中の酸素リッチなガスから酸
素が連続して膜103aを透過して右上四分の一体103ivの中に流れ込む。The pressure of the oxygen-rich gas at the outlet 104 is about 15 PSIA (about 103 kP
aA). The low-pressure circulation pump 105 supplies the main flow of oxygen-rich gas to about 25-40.
Increase the pressure to PSIA (about 172 to 276 kPaA). To increase the stationary oxygen content of the oxygen-rich gas passing through the outlet 104, a portion (eg, 50%) of the recompressed gas is recirculated back to the continuous membrane column 103 and the continuous membrane column 103. It flows into the upper left quadrant. Oxygen from the oxygen-rich gas in the upper left quadrant 103i continuously permeates the membrane 103a and flows into the upper right quadrant 103iv.
【0029】
酸素リッチなガスの残余(たとえば50%)は熱交換器H.E#1に提供され
る。この熱交換器はこのガスをたとえば約200〜225°Fの範囲から約10
0〜120°Fの範囲まで冷却する。上記熱交換器H.E#1および以下に述べ
る他の全ての熱交換器は、たとえば銅から形成され、平行且つ直列に配列された
円板(通常はプレート式熱交換器という)から構成されたものでもよい。熱交換
器のサイズはシステムの電気出力に依るのであるが、プレート式熱交換器は小型
に形成することができる。かかる熱交換器を製造する技術は公知であり、宇宙産
業において使用されている。The balance of the oxygen-rich gas (eg 50%) is in the heat exchanger H.264. Provided to E # 1. The heat exchanger may pass the gas, for example, in the range of about 200 to 225 ° F to about 10
Cool to 0 to 120 ° F range. The heat exchanger H. E # 1 and all other heat exchangers described below may be, for example, made of copper and composed of disks arranged in parallel and in series (commonly referred to as plate heat exchangers). The size of the heat exchanger depends on the electrical output of the system, but the plate heat exchanger can be made small. Techniques for making such heat exchangers are known and used in the space industry.
【0030】
図8Aは本発明の趣旨に従って使用されるプレート式熱交換器の分解図である
。図8Bは図8Aのプレート式熱交換器の組立後を示す図である。プレート式熱
交換器800は、水が流れるプレート(水用プレート)802、804、806
と交互に重ねられたガスが流れるプレート(ガス用プレート)801、803、
805を含んでいる。各プレート801〜806の上面はガスおよび水の流れの
ためのチャンネルを画する。この上面には、公知のフォトエッチングを使用して
上記チャンネルを構成するパターンを形成してもよい。冷却水が水用プレートの
チャンネルを流れ、この水は隣接したガス用プレートから熱を受け取って蒸気に
変換される。ガスは左から右に向かって流れ、冷却水に熱を伝達する。FIG. 8A is an exploded view of a plate heat exchanger used in accordance with the principles of the present invention. FIG. 8B is a diagram showing the plate heat exchanger of FIG. 8A after assembly. The plate heat exchanger 800 includes plates (water plates) 802, 804, 806 through which water flows.
Plates (gas plates) 801 and 803, in which gas flows alternately stacked with
805 is included. The upper surface of each plate 801-806 defines channels for gas and water flow. A pattern forming the above-mentioned channel may be formed on this upper surface by using known photoetching. Cooling water flows through the channels of the water plate, which receives heat from the adjacent gas plate and is converted to steam. The gas flows from left to right and transfers heat to the cooling water.
【0031】
冷却されたガスは高圧圧縮機106に供給され、そこでガスはたとえば約75
0°において約900PSIA(約6201kPaA)の高圧に昇圧される。こ
の高圧ガスは熱交換器H.E#2供給され、そこでたとえば約750°Fから約
100〜120°Fの範囲まで冷却される。熱交換器H.E#2の冷却側は水の
再循環システムを含んでいる。The cooled gas is fed to the high pressure compressor 106 where the gas is, for example, about 75.
At 0 °, the pressure is increased to a high pressure of about 900 PSIA (about 6201 kPaA). This high-pressure gas is used in the heat exchanger H.264. E # 2 is provided where it is cooled, for example, to a range of about 750 ° F to about 100-120 ° F. Heat exchanger H. The cooling side of E # 2 contains a water recirculation system.
【0032】
冷却された高圧ガスは市場で調達し得るような分子ふるいベッド(モレキュラ
ーシーブベッド)107を通過する。分子ふるいベッド107はガスから水およ
び二酸化炭素を抽出し、酸素製造システムの低温部に氷やドライアイスが形成さ
れないようにする。アルゴン、窒素、二酸化炭素および酸素のみが分子ふるい1
07の出口108に大量に存在することになる。アルゴン、窒素、二酸化炭素お
よび酸素の混合物は熱交換器H.E#3に供給され、そこでこの混合物はたとえ
ば約100〜120°Fの範囲から約マイナス60°Fまで冷却される。この低
温高圧混合物は膨張タービン109を通って膨張する。そこで混合物の温度は、
酸素の凝固点より低くアルゴンおよび窒素の凝固点より高い温度(たとえばマイ
ナス295°F)に低下させられる。膨張タービン109の機械的エネルギは発
生機110内で電気エネルギに変換され、それによってプロセスの効率が向上す
る。The cooled high-pressure gas passes through a molecular sieve bed (Molecular Sieve Bed) 107 which can be procured on the market. The molecular sieve bed 107 extracts water and carbon dioxide from the gas and prevents the formation of ice or dry ice in the cold part of the oxygen production system. Molecular sieves containing only argon, nitrogen, carbon dioxide and oxygen 1
A large amount will be present at the exit 108 of 07. A mixture of Argon, Nitrogen, Carbon Dioxide and Oxygen was added to the Heat Exchanger H.264. It is fed to E # 3 where it is cooled, for example, in the range of about 100-120 ° F to about -60 ° F. This low temperature, high pressure mixture expands through expansion turbine 109. So the temperature of the mixture is
It is lowered to a temperature below the freezing point of oxygen and above the freezing points of argon and nitrogen (eg, minus 295 ° F). The mechanical energy of expansion turbine 109 is converted into electrical energy within generator 110, which increases the efficiency of the process.
【0033】
膨張タービン109からの二層混合流が抽出塔111に送られ、そこで液体酸
素がガス状のアルゴンおよび窒素から分離される。二酸化炭素、窒素およびアル
ゴンは消費者の利用に共するために容器に詰められたり環境に放出されたりする
。環境への窒素およびアルゴンの排出による影響は無視できるものである。なぜ
なら、窒素およびアルゴンは大気の構成成分であり、スモッグ、温室効果、酸性
雨などに寄与することはない。さらに、二酸化炭素、窒素およびアルゴンには多
くの商業用途が存在する。液体酸素はポンプ112に送られ、そこで液体酸素は
、たとえば約3600PSIA(約24804kPaA)に昇圧される。液体酸
素を昇圧するために必要な労力は、圧縮性である気体を昇圧する労力に較べれば
きわめて小さい(流量が3.4ポンド/秒(約15.1N/秒)の液体酸素に対
して約50馬力(約37.3kW))。液体酸素の一部はシステムの立上げのた
めに液体酸素立上げタンク113に蓄えられる。The two-layer mixed stream from expansion turbine 109 is sent to extraction column 111, where liquid oxygen is separated from gaseous argon and nitrogen. Carbon dioxide, nitrogen and argon are either packaged or released to the environment for use by consumers. The effects of nitrogen and argon emissions on the environment are negligible. Because nitrogen and argon are constituents of the atmosphere, they do not contribute to smog, greenhouse effect, acid rain, etc. In addition, carbon dioxide, nitrogen and argon have many commercial applications. Liquid oxygen is sent to pump 112, where it is boosted to, for example, about 3600 PSIA (about 24804 kPaA). The effort required to pressurize liquid oxygen is very small compared to the effort to pressurize gas that is compressible (about 3.4 pounds / second (about 15.1 N / second) liquid oxygen). 50 horsepower (about 37.3 kW)). A part of the liquid oxygen is stored in the liquid oxygen start-up tank 113 for starting the system.
【0034】
高圧酸素が熱交換器H.E.#3に戻され、そこで高圧酸素はたとえば約50
°Fに加温されて濃い気体酸素に変換される。酸素を加温する熱は分子ふるいベ
ッド107におけるアルゴン、窒素および酸素混合物から失われるものである。
加温された高圧酸素は熱交換器H.E.#1を通過し、そこで約80〜100°
Fに加熱される。この熱は、低圧圧縮機105から逆方向に熱交換器H.E.#
1を通過する低圧の酸素、窒素、水、二酸化炭素およびアルゴンの混合物から吸
収して得られるものである。高圧酸素はこのようにしてガス発生機30(図3)
において用いられるように用意される。The high pressure oxygen is transferred to the heat exchanger H.264. E. It is returned to # 3, where the high pressure oxygen is about 50
It is heated to ° F and converted to concentrated gaseous oxygen. The heat that warms the oxygen is lost from the argon, nitrogen and oxygen mixture in the molecular sieve bed 107.
The warmed high-pressure oxygen was transferred to the heat exchanger H.264. E. Pass # 1, where there is about 80-100 °
Heated to F. This heat is transferred from the low-pressure compressor 105 in the opposite direction to the heat exchanger H.H. E. #
It is obtained by absorption from a mixture of low pressure oxygen, nitrogen, water, carbon dioxide and argon passing through 1. The high pressure oxygen is thus generated in the gas generator 30 (FIG. 3).
Prepared for use in.
【0035】
高圧酸素を供給するためには多くのシステムおよび方法がある。たとえば、酸
素は市場において調達可能であり、とくに空気から抽出したり工場において調達
する必要もない。前述の酸素製造システムが多くの利点を有してはいるが、ガス
発生機30(図3)に酸素を供給するためにいかなる高圧酸素源を採用してもよ
い。さらに、酸素発生システム20は、燃焼室で使用されるため以外の目的にで
も高圧酸素を発生させてもよい。
B.ガス発生機
図3は図1のガス発生機30を示している。酸素ガスは配管162を通って混
合室114(混合ユニット114)に至る。たとえば、好適な実施形態において
は、12.56メガワットの電力を発生させるために、酸素ガスは3400〜3
500PSIA(約23426〜24115kPaA)の範囲の圧力で、60〜
560°Fの範囲の温度で、その流量が約3.4ポンドm/秒(約15.1Nm
/秒)にされている。混合室114に至る他の配管301は高圧蒸気を供給する
ためのものである。たとえば、好適な実施形態においては、この蒸気は3400
〜3500PSIA(約23426〜24115kPaA)の範囲の圧力で、5
60〜750°Fの範囲の温度で、その流量が約4.2ポンドm/秒(約18.
7Nm/秒)にされている。この蒸気は最初の混合室114において酸素と混合
される。この混合室114は混合工程のための一連のバッフル302を備えてい
る。この好適な実施形態では、混合ガスは3400〜3500PSIA(約23
426〜24115kPaA)の範囲の圧力で、510〜560°Fの範囲の温
度で、その流量が約7.6ポンドm/秒(約33.8Nm/秒)にされており、
68.7モルパーセントの水分と31.3モルパーセントの酸素とからなる。こ
の好適な実施形態の説明は一つの概略例を示すものである。明確にするために、
シミュレーション(模擬試験)で確認された好適な実施形態にかかる発電システ
ムにおける各段階での、入口出口における流量、温度、圧力およびガスの成分構
成率を下記の表1に示す。表1は、シミュレートされた12.36メガワットシ
ステムに相当する相対流量(specific flow rate)を示している。この流量は他
の電力出力に応じた尺度で決めることができる。There are many systems and methods for supplying high pressure oxygen. For example, oxygen can be procured in the market, especially without having to be extracted from the air or procured in the factory. While the oxygen production system described above has many advantages, any high pressure oxygen source may be employed to supply oxygen to the gas generator 30 (FIG. 3). Further, the oxygen generation system 20 may generate high pressure oxygen for purposes other than for use in a combustion chamber. B. Gas Generator FIG. 3 shows the gas generator 30 of FIG. The oxygen gas reaches the mixing chamber 114 (mixing unit 114) through the pipe 162. For example, in a preferred embodiment, the oxygen gas is 3400-3 to produce 12.56 megawatts of power.
At pressures in the range of 500 PSIA (approximately 23426-24115 kPaA), 60-
At temperatures in the range of 560 ° F, the flow rate is about 3.4 lbm / sec (about 15.1 Nm
/ Second). The other pipe 301 leading to the mixing chamber 114 is for supplying high-pressure steam. For example, in a preferred embodiment, this vapor is 3400
5 at pressures in the range of ~ 3500 PSIA (about 23426-24115 kPaA)
At temperatures in the range of 60 to 750 ° F, the flow rate is about 4.2 pounds m / sec.
7 Nm / sec). This vapor is mixed with oxygen in the first mixing chamber 114. The mixing chamber 114 comprises a series of baffles 302 for the mixing process. In this preferred embodiment, the gas mixture is 3400-3500 PSIA (about 23
At a pressure in the range of 426-24115 kPaA) and at a temperature in the range of 510-560 ° F at a flow rate of about 7.6 lbm / sec (about 33.8 Nm / sec),
It consists of 68.7 mole percent water and 31.3 mole percent oxygen. The description of this preferred embodiment shows one schematic example. For clarity,
Table 1 below shows the flow rate, temperature, pressure, and gas component composition ratio at the inlet and outlet at each stage in the power generation system according to the preferred embodiment confirmed by simulation (simulation test). Table 1 shows the specific flow rate corresponding to the simulated 12.36 MW system. This flow rate can be determined according to other power output scales.
【0036】[0036]
【表1】 [Table 1]
【0037】
混合ガスは次いで二番目の混合室303(混合ユニット303)に至り、そこ
で燃料源350(図1)からメタンガスなどの燃料が添加される。好適な実施形
態において、メタンガスは3400〜3500PSIA(約23426〜241
15kPaA)の範囲の圧力で、約80°Fの温度で、約0.5ポンドm/秒(
約2.22Nm/秒)の流量で加えられる。この混合室303(ステーション4
)は、噴射機入口室307においてきわめて均一な混合物を生じさせるために、
乱流を生じさせて燃料、酸化材および蒸気を混合するラシヒリング304を備え
ている。ステーション5における噴射機入口室307と混合室303とのあいだ
には制御弁305が配設されている。制御弁305は燃焼室118に流入する流
れの量を制御するためにばね荷重式にされている。制御弁305は、室内圧力を
急増したり急減したりする事態が下流工程で発生したときには緊急遮断動作をも
なし得る。緊急事態によって自動的に、または、計画的な手動により、何らかの
理由で緊急遮断がなされたときには、混合室303に燃料を供給する燃料供給弁
303aは自動的に閉弁し、混合室303に窒素を供給するための窒素パージ弁
303bが開弁する。このようにして、混合室303、ガス発生機30、そして
最終的にシステム1全体が遮断のあいだ不燃ガスによってパージされる。窒素パ
ージの第二の目的は、希釈蒸気システムの完全作動が可能になるまで、主流ガス
を冷却することによって上記ユニットの起動を補助することである。The mixed gas then reaches the second mixing chamber 303 (mixing unit 303) where fuel such as methane gas is added from a fuel source 350 (FIG. 1). In a preferred embodiment, the methane gas is 3400-3500 PSIA (about 23426-241).
Pressures in the range of 15 kPaA) and temperatures of about 80 ° F.
Flow rate of about 2.22 Nm / sec). This mixing chamber 303 (station 4
) To produce a very uniform mixture in the injector inlet chamber 307,
A Raschig ring 304 is provided which produces a turbulent flow to mix the fuel, oxidant and steam. A control valve 305 is arranged between the injector inlet chamber 307 and the mixing chamber 303 in the station 5. Control valve 305 is spring loaded to control the amount of flow entering combustion chamber 118. The control valve 305 can also perform an emergency shutoff operation when a situation in which a room pressure is rapidly increased or rapidly decreased occurs in a downstream process. In the event of an emergency shutoff for some reason, either automatically due to an emergency or by a planned manual operation, the fuel supply valve 303a that supplies fuel to the mixing chamber 303 automatically closes, and the mixing chamber 303 is flushed with nitrogen. The nitrogen purge valve 303b for supplying nitrogen is opened. In this way, the mixing chamber 303, the gas generator 30, and finally the entire system 1 are purged with incombustible gas during the shutoff. The secondary purpose of the nitrogen purge is to assist in starting the unit by cooling the mainstream gas until full operation of the dilution steam system is possible.
【0038】
燃料、酸化材および蒸気の混合物はインジェクタ板116に形成された一連の
小円噴射口309を通して燃焼室118に導かれる。インジェクタ板は、たとえ
ばステンレス鋼板から形成してもよい。好適な実施形態においては、混合物は6
2.9モルパーセントの水分と28.7モルパーセントの酸素と8.4モルパー
セントのメタンからなり、8.1ポンドm/秒(約36Nm/秒)の流量を有し
ている。上記円形噴射口309は、噴射の上流側への逆引火を防止するために十
分な噴射速度を与えるようなサイズにされる。換言すればこの噴射口309は、
混合ガスの噴射速度が火炎の伝播速度よりも大きくなるようなサイズにされる。
噴射口309の寸法は混合物の成分の構成率と所要温度とに依り、経験的に決定
することができる。遮断のあいだ、窒素パージガスはシステムを不燃ガスでパー
ジするためにこのシステムに噴射される。このパージ窒素ガスはガス発生機30
および主発電システム40を通過し、最終的に酸素製造システム20の抽出塔1
48において回収される。これは、ちょうど燃焼工程で発生した二酸化炭素が以
下に詳述するとおりに回収されるようにである。The mixture of fuel, oxidant and steam is introduced into the combustion chamber 118 through a series of small circle injection ports 309 formed in the injector plate 116. The injector plate may be formed of, for example, a stainless steel plate. In a preferred embodiment, the mixture is 6
It consists of 2.9 mole percent water, 28.7 mole percent oxygen, and 8.4 mole percent methane, and has a flow rate of 8.1 pounds m / sec (about 36 Nm / sec). The circular jet port 309 is sized to provide a sufficient jet velocity to prevent back flashing upstream of the jet. In other words, this injection port 309 is
It is sized so that the injection speed of the mixed gas is higher than the propagation speed of the flame.
The size of the injection port 309 can be empirically determined depending on the composition ratio of the components of the mixture and the required temperature. During the shutoff, nitrogen purge gas is injected into the system to purge the system with incombustible gas. This purge nitrogen gas is used for the gas generator 30
And the main power generation system 40, and finally the extraction tower 1 of the oxygen production system 20.
Recovered at 48. This is just like the carbon dioxide generated in the combustion process is recovered as detailed below.
【0039】
燃焼は、燃焼室118内の噴射面306のちょうど下流に発生する。燃焼室1
18に入る前の酸素、燃料および蒸気の予混合は燃焼室118におけるガスの完
全燃焼を保証する。それによって燃焼効率が向上する。ステーション6における
点火プラグ117(イグナイタ117)は一実施例においてインジェクタ板11
6の中央に配置され、燃焼工程を開始するために用いられる。燃焼室118の壁
は、燃焼室壁を構成する一連の小円板308を通過する水によって冷却されてい
る。しみ出し冷却として知られているこの種の冷却方法は、燃焼室118の壁を
その構成材料(たとえばステンレス鋼)の融点よりも十分に低い温度(たとえば
700〜900°F)まで冷却する。しかしながら、燃焼室118の壁が冷却さ
れたとしてもしみ出し冷却は主流ガスに対しては無視できるほどの冷却効果しか
奏し得ない。Combustion occurs just downstream of the injection surface 306 within the combustion chamber 118. Combustion chamber 1
The premixing of oxygen, fuel and steam before entering 18 ensures complete combustion of the gas in the combustion chamber 118. This improves combustion efficiency. The spark plug 117 (igniter 117) in the station 6 is the injector plate 11 in one embodiment.
It is located in the center of 6 and is used to start the combustion process. The walls of the combustion chamber 118 are cooled by water passing through a series of small discs 308 that make up the combustion chamber wall. This type of cooling, known as bleed-through cooling, cools the walls of the combustion chamber 118 to a temperature (eg, 700-900 ° F) well below the melting point of its constituent material (eg, stainless steel). However, even if the wall of the combustion chamber 118 is cooled, the seeping-out cooling can exert a negligible cooling effect on the mainstream gas.
【0040】
しみ出し冷却工程を図6Aおよび図6Bを参照しつつより詳細に説明する。図
6Aは二枚の円環状平板610、620の分解等角図であり、上記一連の小円板
308の一部を示している。小円板610、620はたとえばステンレス鋼から
形成されている。一連の小円板308におけるこの小円板610、620および
他の小円板は相互に積層されている。この小円板610、620に示されている
ように、少なくともその片面には水が流通して小円板を冷却するように溝が形成
されている。小円板積層体308は燃焼室118の壁を構成している。The exudation cooling process will be described in more detail with reference to FIGS. 6A and 6B. FIG. 6A is an exploded isometric view of two annular flat plates 610 and 620, showing a part of the series of small discs 308. The small discs 610 and 620 are made of, for example, stainless steel. The small discs 610, 620 and the other small discs in the series of small discs 308 are stacked on top of each other. As shown in the small discs 610 and 620, grooves are formed on at least one surface thereof so that water flows to cool the small discs. The small disc stack 308 constitutes the wall of the combustion chamber 118.
【0041】
図6Bは図6Aの6B部を詳細に示す分解等角図である。図6Bには、各小円
板610、620が例えばエッチングによって開放されたチャンネル(溝)62
4が形成された面622を有していることが示されている。開放チャンネル62
4は外周から内周にかけて延設されている。小円板610、620はたとえば0
.010インチ(約0.254mm)の厚さにされ、たとえば0.005インチ
(約0.127mm)幅および0.005インチ深さの断面の溝が形成されてい
る。隣接する小円板610、620同士は、それらの面が物理的に接触して小円
板610のチャンネル624が形成されるように相互に積層されている。小円板
積層体308の他の小円板も同様のチャンネルを有している。FIG. 6B is an exploded isometric view detailing section 6B of FIG. 6A. In FIG. 6B, each small disc 610, 620 has a channel (groove) 62 opened by, for example, etching.
4 is shown to have a formed surface 622. Open channel 62
4 is extended from the outer circumference to the inner circumference. The small discs 610 and 620 are, for example, 0
. It has a thickness of 010 inches (about 0.254 mm) and is formed with a groove having a cross section of, for example, 0.005 inches (about 0.127 mm) width and 0.005 inches depth. Adjacent small discs 610, 620 are stacked together such that their surfaces physically contact each other to form the channels 624 of the small discs 610. The other small disks of the small disk stack 308 also have similar channels.
【0042】
リザーバ321(図3)からのわずかな総量(たとえば約0.1ポンドm/秒
(約0.44Nm/秒))の水はチャンネル624を通って燃焼室118に流入
する。燃焼室118内からの熱は小円板積層体308に伝達され、この小円板3
08がチャンネル624内の水を加熱して蒸気に変換する。チャンネル624内
の水は小円板積層体308をこの小円板308の構成材料の融点より十分に低い
温度まで冷却するために熱を吸収する。A small amount of water (eg, about 0.1 pound m / sec (about 0.44 Nm / sec)) from reservoir 321 (FIG. 3) flows into combustion chamber 118 through channel 624. The heat from the inside of the combustion chamber 118 is transferred to the small disk stack 308, and the small disks 3
08 heats the water in channel 624 to convert it to steam. The water in the channels 624 absorbs heat to cool the small disc stack 308 to a temperature well below the melting point of the material of which the small discs 308 are made.
【0043】
再び図3を参照して、初期の燃焼は酸化材リッチな大気中において発生する。
これはすなわち、初期燃焼工程に導入される全ての燃料を燃焼させるために必要
な量よりもさらに多い酸素が上記混合物中に存在することを意味する。この理由
は後述するリヒータ(再熱器)の説明で明らかとなる。好適な実施形態では、燃
焼室118からの燃焼ガスはその温度が3200°Fであり、圧力が3300P
SIA(約22737kPaA)であり、79.3モルパーセントの水分と11
.7モルパーセントの酸素と8.4モルパーセントの二酸化炭素と0.6モルパ
ーセントのOHとわずかな一酸化炭素とを含んでいる。好適な実施形態では、こ
の燃焼ガスは鉄や鋼を含んだタービンに流入する前にさらに冷却される必要があ
る。または、燃焼室118のすぐ下流にあるタービンにセラミック材料が用いら
れている場合には冷却されなくてもよい。Referring again to FIG. 3, the initial combustion occurs in an atmosphere rich in oxidant.
This means that more oxygen is present in the mixture than is needed to burn all the fuel introduced into the initial combustion process. The reason for this will become clear in the description of the reheater (reheater) described later. In a preferred embodiment, the combustion gases from combustion chamber 118 have a temperature of 3200 ° F and a pressure of 3300P.
SIA (about 22737 kPaA), 79.3 mole percent water and 11
. It contains 7 mole percent oxygen, 8.4 mole percent carbon dioxide, 0.6 mole percent OH and a little carbon monoxide. In a preferred embodiment, this combustion gas needs to be further cooled before entering a turbine containing iron or steel. Alternatively, it may not be cooled if a ceramic material is used in the turbine immediately downstream of the combustion chamber 118.
【0044】
最初の燃焼器118には延長部320が付設されており、そこでは冷却水が噴
射機120a、120bから噴射され、ステーション8において主流ガスと混合
される。好適な実施形態では、冷却水は約3300PSIA(約22737kP
aA)の圧力、150°Fの温度、および0.35ポンドm/秒(約15.6N
m/秒)の流量で噴射される。水噴射によって燃焼ガスのいくらかの初期温度低
下(好適な実施形態ではたとえば約3000°Fへの低下)が実現し、熱交換器
H.E.#4に用いられている材料(好適な実施形態ではたとえば銅)と両立し
得る。銅は熱交換器H.E.#4に供給される高温ガスの温度(たとえば300
0°F)より低い融点を有しているが、銅は構造的健全性を維持する。なぜなら
、銅製小円板は熱交換器H.E.#4の低温側に供給される冷水によって連続的
に冷却されているからである。An extension 320 is attached to the first combustor 118, where cooling water is injected from injectors 120a, 120b and mixed at station 8 with the mainstream gas. In a preferred embodiment, the cooling water is about 3300 PSIA (about 22737 kP).
aA) pressure, 150 ° F temperature, and 0.35 lbm / sec (about 15.6 N
m / sec). The water injection provides some initial temperature reduction of the combustion gases (down to about 3000 ° F. in the preferred embodiment) and heat exchanger H.264. E. It is compatible with the material used in # 4 (eg copper in the preferred embodiment). Copper is a heat exchanger H. E. The temperature of the hot gas supplied to # 4 (for example, 300
Although having a melting point below 0 ° F.), copper maintains its structural integrity. Because the copper small disc is a heat exchanger H.264. E. This is because it is continuously cooled by the cold water supplied to the low temperature side of # 4.
【0045】
冷却水は主流ガス内に噴射される前に上記延長部320の壁の内部に配設され
た冷却リザーバ321内に噴射させられ、そうすることによって延長部320の
壁がそれを構成する材料(たとえば鋼)の融点より十分に低い温度まで冷却され
る。このようにして、延長部320の壁は、主流ガスの温度が当該壁の構成材料
(たとえば鋼)の融点より高くても構造的健全性を維持する。Before being injected into the mainstream gas, the cooling water is injected into a cooling reservoir 321 arranged inside the wall of the extension 320, so that the wall of the extension 320 constitutes it. The material is cooled to a temperature well below the melting point of the material (eg steel). In this way, the walls of the extension 320 maintain their structural integrity even if the temperature of the mainstream gas is above the melting point of the wall's constituent material (eg, steel).
【0046】
固体の凹状板119(たとえば銅から形成された飛散板(splash plate)11
9)が主流ガスの中央部に配置され、噴射機120a、120bのすぐ下流にお
いて水分リッチなガスを捕捉する。好適な実施形態では、上記水分リッチなガス
は圧力が約3300PSIA(約22737kPaA)で、温度が3000°F
で、流量が8.45ポンドm/秒(約37.6Nm/秒)で、80.3モルパー
セントの水分と11.1モルパーセントの酸素と7.9モルパーセントの二酸化
炭素と0.6モルパーセントのOHとわずかな一酸化炭素とを含んでいる。飛散
板119はその表面に冷却水がはねかけられることによって溶融が防止されてい
る。飛散板119はその凹状形によって水分リッチなガスをその周縁から外方へ
はね飛ばし、水分リッチなガスを他の主流ガスに完全に混合する一助となってい
る。上記水噴射システムおよび飛散板119は、下流のタービンにさらなる質量
流量が追加されるときに主流ガスの温度を降下させる。飛散板119の使用は混
合効果を向上させるが、配管内の他の混合構造物を用いてもよい。また、混合効
果をある程度犠牲にする可能性はあるが、混合構造物を除去してもよい。A solid concave plate 119 (eg, a splash plate 11 made of copper)
9) is located in the center of the mainstream gas and captures the water rich gas just downstream of the injectors 120a, 120b. In a preferred embodiment, the moisture-rich gas has a pressure of about 3300 PSIA (about 22737 kPaA) and a temperature of 3000 ° F.
At a flow rate of 8.45 pounds m / sec (about 37.6 Nm / sec), 80.3 mole percent water, 11.1 mole percent oxygen, 7.9 mole percent carbon dioxide and 0.6 mole. Contains percent OH and traces of carbon monoxide. The scattering plate 119 is prevented from melting by splashing cooling water on its surface. Due to its concave shape, the scattering plate 119 repels the moisture-rich gas from the periphery thereof to the outside, and helps to completely mix the moisture-rich gas with other mainstream gas. The water injection system and shatter plate 119 lowers the temperature of the mainstream gas as additional mass flow is added to the downstream turbine. Although the use of the shatter plate 119 enhances the mixing effect, other mixing structures in the pipe may be used. Also, the mixed structure may be removed, although it may sacrifice the mixing effect to some extent.
【0047】
タービンの出力を増加させるための二通りの手段は、タービンの入口ガス温度
を増加させること、および/または、タービンへの質量流量を増加することであ
る。入口ガス温度は鋼のようなタービンを構成する材料によって制限される。水
分の追加は質量流量を増加させるがガス温度を降下させる。これはタービン全段
の全出力においてきわめて受け入れ可能な相殺(平均化)となる。これは、蒸気
の分子量が主流ガスのそれより小さく、低分子量のガスが高分子量のガスより単
位質量当たりでより大きな馬力を生じるということにおいてとくに重要である。
水分を追加することにより、ガス発生器の全長にわたって主流ガスの温度降下が
増大する。Two ways to increase turbine power output are to increase the turbine inlet gas temperature and / or increase the mass flow rate to the turbine. The inlet gas temperature is limited by the material of which the turbine is made, such as steel. Adding water increases the mass flow rate but lowers the gas temperature. This is a very acceptable cancellation (averaging) at all outputs of all turbine stages. This is particularly important in that the molecular weight of the vapor is smaller than that of the mainstream gas and that low molecular weight gases produce more horsepower per unit mass than high molecular weight gases.
The addition of water increases the temperature drop of the mainstream gas over the length of the gas generator.
【0048】
熱交換器H.E.#4において、主流ガスの温度はタービンに入る前に中間温
度まで再降下させられる。好適な実施形態においてはこの中間温度は約2110
°Fである。冷却水は熱交換器H.E.#4の低温側に供給される。好適な実施
形態においては冷却水は約80°Fの温度および4.2ポンドm/秒(約18.
7Nm/秒)で供給される。熱交換器H.E.#4において、この冷却水は昇温
されて(たとえば約750°F)蒸気となる。この蒸気は混合室114(図3)
内で酸素と混合される。このようにして、この蒸気を冷却することによる主流ガ
スの熱損失はシステム全体では損失とはならない。熱交換器H.E.#4におい
て、主流ガスの温度はさらに降下させられ、システムの出力能力を犠牲にするこ
となく第一タービン段126のタービンによって処理し得る温度になる。好適な
実施形態においては、この主流ガスはその圧力が約3100PSIA(約213
59kPaA)であり、温度は約2110°Fまで降下させられる。Heat exchanger H. E. In # 4, the temperature of the mainstream gas is re-dropped to an intermediate temperature before entering the turbine. In the preferred embodiment, this intermediate temperature is about 2110.
° F. The cooling water is a heat exchanger H.264. E. It is supplied to the low temperature side of # 4. In the preferred embodiment, the cooling water has a temperature of about 80 ° F. and 4.2 pounds m / sec.
7 Nm / sec). Heat exchanger H. E. At # 4, this cooling water is heated (eg, about 750 ° F) to steam. This vapor is mixed chamber 114 (FIG. 3)
Mixed with oxygen within. In this way, the heat loss of the mainstream gas due to the cooling of this steam is not a loss for the entire system. Heat exchanger H. E. At # 4, the temperature of the mainstream gas is further reduced to a temperature that can be processed by the turbine of the first turbine stage 126 without sacrificing the power output of the system. In a preferred embodiment, this mainstream gas has a pressure of about 3100 PSIA.
59 kPaA) and the temperature is reduced to about 2110 ° F.
【0049】
熱交換器H.E.#4の下流部分には噴射機122a、122b(図3)を有
した水噴射ステーション9が配設されている。この付設の水噴射ステーション9
は、ステーション10の第一タービン段126(図4)への入力温度を検出する
ことにより、および、この検出温度に基づいて噴射機122a、122bにおい
て噴射される水の量を制御することにより、第一タービン段126への入力温度
を設計条件±10°Fに制御するために用いられる。Heat exchanger H. E. The water injection station 9 having the injectors 122a and 122b (FIG. 3) is arranged in the downstream portion of # 4. This attached water injection station 9
By detecting the input temperature to the first turbine stage 126 (FIG. 4) of the station 10 and controlling the amount of water injected in the injectors 122a, 122b based on this detected temperature, Used to control the input temperature to the first turbine stage 126 to design conditions ± 10 ° F.
【0050】
一例として、好適な実施形態においては、第一タービン段126の所要入口温
度は2000°Fに設定される。噴射水量は、温度が2000°Fまで上昇した
ら増加させられ、2000°Fを下回れば減少させられる。前述の飛散板119
に似た飛散板121(図3)が噴射機122a、122bのすぐ下流側に配設さ
れており、延長部320からの主流ガスがガス発生機30に入る前にこの主流ガ
スに水を混合させるために用いられる。As an example, in the preferred embodiment, the required inlet temperature of the first turbine stage 126 is set to 2000 ° F. The amount of water spray is increased when the temperature rises to 2000 ° F and is decreased below 2000 ° F. The aforementioned scattering plate 119
A scatter plate 121 (FIG. 3) similar to that of FIG. 3 is disposed immediately downstream of the injectors 122a and 122b, and the mainstream gas from the extension 320 is mixed with water before entering the gas generator 30. It is used to
【0051】
上記発電システムには燃料としてメタンが用いられると述べたが、天然ガスを
用いてもよい。天然ガスはかなりの量の硫化水素を含んでおり、酸素リッチな環
境で加熱されると二酸化イオウとなる。二酸化イオウは大気中に排出されると酸
性雨の原因となる。二酸化イオウ副産物は噴射機122a、122bを通してま
たはその近傍にカルシウムリッチな石灰水を噴射することによって除去される。
石灰水のカルシウムは天然ガス中のイオウと混ざり合って副産物としての硫酸カ
ルシウムを生成する。この副産物は酸性雨、温室効果、スモッグなどを構成する
ことはない。硫酸カルシウムは主流ガスとともに流れ、貯水したストレージタン
ク154に蓄積される。水は燃焼工程における副産物であり、硫酸カルシウムを
含んだこの水は凝縮器(コンデンサ)/集積器148のオーバーフロー水を避け
るためにストレージタンク154から排出される。このようにして、硫酸カルシ
ウムは商業用発電システム1から引き出される。二酸化イオウ副産物は、ガス発
生機30へ導入される前に公知の天然ガスのイオウ濾過法を用いることによって
除去することができる。Although it has been described that methane is used as fuel in the power generation system, natural gas may be used. Natural gas contains a significant amount of hydrogen sulfide and becomes sulfur dioxide when heated in an oxygen-rich environment. Sulfur dioxide causes acid rain when released into the atmosphere. Sulfur dioxide by-product is removed by injecting calcium-rich lime water through or near the injectors 122a, 122b.
Calcium in lime water mixes with sulfur in natural gas to form calcium sulfate as a by-product. This by-product does not constitute acid rain, greenhouse effect, smog, etc. The calcium sulfate flows together with the mainstream gas and is accumulated in the stored storage tank 154. Water is a by-product of the combustion process and this calcium sulphate containing water is discharged from the storage tank 154 to avoid condenser / integrator 148 overflow water. In this way, calcium sulfate is extracted from the commercial power generation system 1. The sulfur dioxide by-product can be removed prior to its introduction into the gas generator 30 by using the known natural gas sulfur filtration method.
【0052】
ガス発生機30からの出力主流ガスは主発電システム40(図4)に至り、そ
こでガス流の内部エネルギ(potential energy)はタービン段126、132、
134、136において機械的エネルギに変換され、発電機128、137にお
いて電気エネルギに変換される。好適な実施形態では、この出力主流ガスは圧力
が約3100PSIA(約21359kPaA)で、温度が2000°Fで、流
量が8.69ポンドm/秒(約38.6Nm/秒)で、81.0モルパーセント
の水分と10.8モルパーセントの酸素と7.7モルパーセントの二酸化炭素と
0.5モルパーセントのOHとを含んでいる。0.5モルパーセントのOHと残
余のごくわずかな一酸化炭素とはシミュレーションにおいて見積もられたのであ
るが、OHおよび一酸化炭素は実際にはガス発生機30内で燃焼して水、酸素、
二酸化炭素が残るだけとなる。もし、いくらかのOHおよび一酸化炭素がガス発
生機30の出口に存在していたら燃焼は不完全であるということになる。ガス発
生機30出口の公知の赤外線センサはOHおよび一酸化炭素の分子を検出するこ
とができ、公知のフィードバック機構を用いることによってガス発生機30に酸
素を追加することができるので、すべてのOHおよび一酸化炭素の分子はガス発
生機30の内部で完全に燃焼する。類似のフィードバック機構を各リヒータ13
3、135に備えることができ、そうすることによって燃料を完全燃焼させるた
めに十分な酸素の供給が保証される。The output mainstream gas from the gas generator 30 reaches the main power generation system 40 (FIG. 4) where the internal energy of the gas stream is the turbine stages 126, 132,
At 134, 136 it is converted to mechanical energy and at generators 128, 137 it is converted to electrical energy. In a preferred embodiment, this output mainstream gas has a pressure of about 3100 PSIA (about 21359 kPaA), a temperature of 2000 ° F., a flow rate of 8.69 lbm / sec (about 38.6 Nm / sec), and 81.0 It contains mole percent water, 10.8 mole percent oxygen, 7.7 mole percent carbon dioxide and 0.5 mole percent OH. OH and carbon monoxide were actually burned in the gas generator 30 to produce water, oxygen,
Only carbon dioxide remains. If some OH and carbon monoxide were present at the outlet of the gas generator 30, then combustion would be incomplete. A known infrared sensor at the outlet of the gas generator 30 can detect OH and carbon monoxide molecules, and oxygen can be added to the gas generator 30 by using a known feedback mechanism. And the carbon monoxide molecules are completely combusted inside the gas generator 30. Similar feedback mechanism to each reheater 13
3,135, which ensures a sufficient supply of oxygen for complete combustion of the fuel.
【0053】
ガス発生機30(図3)は非常に小さく構成することができる。たとえば、好
適な実施形態では、ガス発生機30は約12インチ(約30.5cm)の外径と
、約8インチ(約20.3cm)と、約8フィート(約244cm)の長さとを
有しているだけである。
C.主発電システム
図4には電力を発生するための主発電システム40が示されている。ガス発生
機30から出る高温高圧の主流ガスは第一段タービン126(すなわち、半径流
タービン126)内で膨張して機械的エネルギを発生する。好適な実施形態では
、半径流タービン126は主流ガスから2503馬力(約1867kW)のエネ
ルギを受け取る。タービン段126のこの機械的エネルギ(軸出力)は発電機1
28において電気エネルギに変換される。好適な実施形態では、発電機128の
効率は約98.5%であり、このようにして2503馬力によって発生した電気
エネルギは1.84メガワット(約2503hp×746W/hp×0.985
)となり、これは全出力12.56メガワットの14.6%となる。The gas generator 30 (FIG. 3) can be made very small. For example, in the preferred embodiment, the gas generator 30 has an outer diameter of about 12 inches (about 30.5 cm), about 8 inches (about 20.3 cm), and a length of about 8 feet (about 244 cm). I'm just doing it. C. Main Power Generation System FIG. 4 shows a main power generation system 40 for generating electric power. The high temperature, high pressure mainstream gas exiting the gas generator 30 expands in the first stage turbine 126 (ie, the radial flow turbine 126) to generate mechanical energy. In the preferred embodiment, the radial turbine 126 receives 2503 horsepower (about 1867 kW) of energy from the mainstream gas. This mechanical energy (shaft output) of the turbine stage 126 is generated by the generator 1
At 28 it is converted to electrical energy. In the preferred embodiment, the efficiency of the generator 128 is about 98.5% and thus the electrical energy generated by 2503 horsepower is 1.84 megawatts (about 2503 hp x 746 W / hp x 0.985).
), Which is 14.6% of the total output of 12.56 MW.
【0054】
主流ガスは半径流タービン126から出てリヒータ131に入る。好適な実施
形態では、半径流タービン126を出た主流ガスは約1000PSIA(約68
90kPaA)の圧力と1585°Fの温度とを有している。第一段タービン1
26は、設計入口温度がたとえば2000°Fで、設計入口圧が約3100PS
IA(約21359kPaA)で、圧力比が約3/1で運転される単一段半径流
タービンとしてもよい。The mainstream gas exits the radial turbine 126 and enters the reheater 131. In the preferred embodiment, the mainstream gas exiting the radial turbine 126 is about 1000 PSIA.
It has a pressure of 90 kPaA) and a temperature of 1585 ° F. First stage turbine 1
No. 26 has a design inlet temperature of 2000 ° F and a design inlet pressure of about 3100 PS.
It may be a single stage radial flow turbine operating at IA (about 21359 kPaA) and a pressure ratio of about 3/1.
【0055】
入口圧力を高くできるタービン126はきわめてコンパクトに構成することが
できる。流れと圧力比(3/1)との組合せはこのタービンが半径流タービンの
比速度レンジで運転されるようにされており、それによって比較的高い効率が得
られる。半径流タービンはスムーズに回転し、入口流れのわずかな変動によって
比較的影響を受けにくい。結果的に発電機128は安定し且つスムーズに運転さ
れる。The turbine 126, which can increase the inlet pressure, can be made extremely compact. The combination of flow and pressure ratio (3/1) is such that this turbine operates in the specific speed range of a radial turbine, which results in a relatively high efficiency. Radial flow turbines run smoothly and are relatively unaffected by small variations in inlet flow. As a result, the generator 128 operates stably and smoothly.
【0056】
リヒータ131は半径流タービン126と高圧の第二段タービン132(すな
わち、軸流タービン段132)との間に導入される。リヒータ131の一実施形
態が図7に示されている。リヒータ131は、たとえばステンレス鋼、銅、また
は高い熱伝導率を持った他の材料から形成された中空管600によって構成され
ており、入口601と管状(solenoidal)中間部603と出口602とを有した
管状に巻かれている。リヒータ131はその入口601で主流ガスを受け入れる
。主流ガスは中空管600を通って燃料入口604において燃料と混合される。
好適な実施形態では、この燃料は約1000PSIA(約6890kPaA)の
圧力と80°Fの温度と0.081ポンドm/秒(約0.36Nm/秒)の流量
とで導入される。主流ガス(たとえば、約1585°Fの温度)は燃料(たとえ
ばメタン)の点火温度より十分に高いがステンレス鋼の融点より十分に低い温度
にされているため、燃料は酸化材リッチな主流ガスの存在下で自然に点火し、中
空管600は溶融しない。The reheater 131 is introduced between the radial flow turbine 126 and the high pressure second stage turbine 132 (ie, the axial flow turbine stage 132). One embodiment of reheater 131 is shown in FIG. The reheater 131 is composed of a hollow tube 600 formed of, for example, stainless steel, copper, or another material having high thermal conductivity, and has an inlet 601 and a tubular intermediate portion 603 and an outlet 602. It has a tubular shape. The reheater 131 receives the mainstream gas at its inlet 601. Mainstream gas is mixed with fuel at a fuel inlet 604 through a hollow tube 600.
In a preferred embodiment, the fuel is introduced at a pressure of about 1000 PSIA (about 6890 kPaA), a temperature of 80 ° F. and a flow rate of 0.081 lbm / sec (about 0.36 Nm / sec). Since the mainstream gas (eg, a temperature of about 1585 ° F.) is brought to a temperature well above the ignition temperature of the fuel (eg, methane) but well below the melting point of stainless steel, the fuel is a oxidant-rich mainstream gas. It ignites spontaneously in the presence and the hollow tube 600 does not melt.
【0057】
燃料と主流ガスとからなる混合物の燃焼が中空管600の管状中間部603内
を通るので、管状中間部603の湾曲が燃料と主流ガスとの混合および効率的な
燃焼を生じさせる。出口602は入口601から十分に遠い位置に形成されてい
るので、主流ガスは次のタービン段132に入る前に完全な燃焼がなされるだけ
の距離を移動することになる。As the combustion of the mixture of fuel and mainstream gas passes through the tubular middle section 603 of the hollow tube 600, the curvature of the tubular middle section 603 causes mixing of the fuel and mainstream gas and efficient combustion. . The outlet 602 is formed sufficiently far from the inlet 601 that the mainstream gas travels a distance such that complete combustion occurs before entering the next turbine stage 132.
【0058】
他の実施形態においては、タービン126から排出される主流ガスの温度は自
然に燃料に点火するほど高くはない。そのような場合にはもちろんリヒータ13
1にイグナイタを設ける必要がある。リヒータ131における燃料と主流ガスと
の混合物の燃焼は、リヒータ131中の主流ガスを加熱して、軸流タービン段1
32の入口における主流ガスの温度を設計条件にまで上昇させる。好適な実施形
態では、リヒータ131に入る燃料と主流ガスとの混合物は、その圧力が約10
00PSIA(約6890kPaA)で、温度が1560°Fで、流量が8.7
71ポンドm/秒(約40.0Nm/秒)で、80.0モルパーセントの水分と
10.6モルパーセントの酸素と1.2モルパーセントのメタンと7.6モルパ
ーセントの二酸化炭素と0.5モルパーセントのOHとわずかな一酸化炭素とを
含んでいる。燃焼の後、リヒータ131中の主流ガスは、その圧力が約1000
PSIA(約6890kPaA)で、温度が2000°Fで、82.8モルパー
セントの水分と8.3モルパーセントの酸素と8.9モルパーセントの二酸化炭
素とわずかなOHおよび一酸化炭素とを含んでいる。温度を設計条件(たとえば
2000°F)にまで上昇させるために必要な燃料の量は、重量的に、第二段タ
ービン132、134、136の性能がきわめて効果的に向上するほどに非常に
小さいものである。In another embodiment, the temperature of the mainstream gas exiting turbine 126 is not high enough to spontaneously ignite the fuel. In such a case, of course, the reheater 13
It is necessary to install an igniter in 1. Combustion of the mixture of fuel and mainstream gas in the reheater 131 heats the mainstream gas in the reheater 131 to produce the axial turbine stage 1
The temperature of the mainstream gas at the inlet of 32 is raised to the design condition. In a preferred embodiment, the mixture of fuel and mainstream gas entering the reheater 131 has a pressure of about 10
00 PSIA (about 6890 kPaA), temperature 1560 ° F, flow 8.7.
At 71 pounds m / sec (about 40.0 Nm / sec), 80.0 mole percent water, 10.6 mole percent oxygen, 1.2 mole percent methane, 7.6 mole percent carbon dioxide and 0. It contains 5 mole percent OH and traces of carbon monoxide. After combustion, the mainstream gas in the reheater 131 has a pressure of about 1000.
PSIA (about 6890 kPaA) at a temperature of 2000 ° F., containing 82.8 mole percent water, 8.3 mole percent oxygen, 8.9 mole percent carbon dioxide and traces of OH and carbon monoxide. There is. The amount of fuel required to raise the temperature to design conditions (eg, 2000 ° F) is, by weight, so small that the performance of the second stage turbines 132, 134, 136 is very effectively improved. It is a thing.
【0059】
主流ガスの温度をタービン段132の設計入口温度条件にまで上昇させるため
に必要な燃料の量はきわめて少なくてよい(たとえばメタンで0.081ポンド
/秒(約0.36N/秒))。このようにして、付加リヒータ133、135が
タービン段134、136それぞれの前に配設されている。タービン出口におけ
る500°Fの温度上昇は、圧力比が同一と想定して次の段のために23%の出
力(馬力)上昇をもたらす。このことは、次のタービン段134、136が初め
の段のリヒータ131における熱付加による影響を受けることによって工程全体
をより効率的にするという累積的効果を意味する。The amount of fuel needed to raise the temperature of the mainstream gas to the design inlet temperature conditions of the turbine stage 132 may be very low (eg 0.081 lbs / sec for methane). ). In this way, additional reheaters 133, 135 are disposed in front of the turbine stages 134, 136, respectively. A temperature increase of 500 ° F. at the turbine outlet results in a 23% power (horsepower) increase for the next stage assuming the same pressure ratio. This means the cumulative effect that the next turbine stage 134, 136 is affected by the heat addition in the reheater 131 of the first stage, making the entire process more efficient.
【0060】
リヒータ131、133、135は公知の渦巻き管状を呈したミキサから構成
されている。この渦巻き管の内径は12.36メガワットシステムに対して約5
インチ(約12.7cm)であるが、出力に応じて変更すればよい。主流ガスと
添加燃料との混合物はコイル状の中空管に通されるので、混合物がこの反応室を
通って行くにつれて主流ガスは、燃焼ガス混合物に渦を発生させ且つ混合する剪
断に遭遇する。渦巻き管は、燃料が完全に燃焼するのに十分な滞留期間を主流ガ
スが持ち得るほどに十分な長さにされている。上記滞留期間、すなわち渦巻き管
の長さは、流量および燃焼温度の関数であり、形式的に決めることができる。The reheaters 131, 133, 135 are composed of known spiral tube-shaped mixers. The inner diameter of this spiral tube is about 5 for a 12.36 MW system.
It is inch (about 12.7 cm), but may be changed according to the output. As the mixture of mainstream gas and added fuel is passed through a coiled hollow tube, the mainstream gas encounters shear that causes vortexing and mixing in the combustion gas mixture as the mixture passes through this reaction chamber. . The spiral tube is made long enough that the mainstream gas has a dwell period sufficient for the fuel to completely burn. The dwell period, or swirl tube length, is a function of flow rate and combustion temperature and can be formally determined.
【0061】
第二段タービン132、134、136はそれぞれ直列にされた三機の軸流タ
ービンとしてもよく、そのとき各軸流タービンの圧力比は高タービン効率とする
ために約1.6/1以下にされるべきである。各タービン段132、134、1
36の三機の軸流タービンは、各タービン段132、134、136に対して約
4/1(≒1.6×1.6×1.6)の圧力比を発生させる。各軸流タービンの
圧力比を1.6以上にすることはできるが、ほとんどの軸流タービンは圧力比が
約1.6に設計されているので、圧力比が上昇すると全体の効率に支障が生じる
。圧力比はタービンまたはタービン段の排気圧力に対する入口圧力の比と規定さ
れる。たとえば、高圧第二段タービン132の入口圧力が約1000PSIA(
約6890kPaA)であって、排気圧力が245PSIA(約1688kPa
A)であれば、圧力比は約4/1となる。主流ガスの温度はタービン段132を
通過することによって約2000゜Fから1475゜Fに低下する。直列の三機
の軸流タービンがタービン段132を構成するために用いられる。The second stage turbines 132, 134, 136 may each be three axial turbines in series, with the pressure ratio of each axial turbine being about 1.6 / in order to achieve high turbine efficiency. Should be 1 or less. Each turbine stage 132, 134, 1
Thirty-six (3) axial turbines produce a pressure ratio of about 4/1 (≈1.6 × 1.6 × 1.6) for each turbine stage 132, 134, 136. The pressure ratio of each axial turbine can be 1.6 or more, but most axial turbines are designed to have a pressure ratio of about 1.6, so if the pressure ratio increases, the overall efficiency will be hindered. Occurs. The pressure ratio is defined as the ratio of inlet pressure to exhaust pressure of the turbine or turbine stage. For example, the inlet pressure of the high pressure second stage turbine 132 is approximately 1000 PSIA (
It is about 6890 kPaA and the exhaust pressure is 245 PSIA (about 1688 kPaA).
In case of A), the pressure ratio is about 4/1. The temperature of the mainstream gas is reduced from about 2000 ° F to 1475 ° F by passing through turbine stage 132. Three axial turbines in series are used to form turbine stage 132.
【0062】
リヒータ131からの主流ガスはタービン段132内で膨張して機械的エネル
ギを生じ、これが発電機137中で電気エネルギに変換される。好適な実施形態
では、1000PSIA(約6890kPaA)で2000゜Fの主流ガスがタ
ービン段132内で245PSIA(約1688kPaA)で1475゜Fにま
で膨張し、3209馬力(約2394kW)の機械的エネルギを生じ、タービン
132の効率を98.5%と想定した場合に2.36メガワットの電力に変換さ
れる。2.36メガワットは全出力12.56メガワットの18.8%に相当す
る。The mainstream gas from the reheater 131 expands in the turbine stage 132 to produce mechanical energy, which is converted to electrical energy in the generator 137. In a preferred embodiment, 2000 ° F mainstream gas at 1000 PSIA expands to 145 ° F at 245 PSIA in turbine stage 132 to produce mechanical energy of 3209 horsepower (about 2394 kW). Assuming that the efficiency of the turbine 132 is 98.5%, it will be converted into 2.36 megawatts of electric power. 2.36 MW corresponds to 18.8% of the total output of 12.56 MW.
【0063】
タービン段132の主流ガスは上記リヒータ131と同一設計の第二リヒータ
133に送られ、そこで主流ガスはより多くの燃料を噴射させられてタービン段
134の設計入口温度にまで上昇させられる。好適な実施形態では、上記245
PSIAの主流ガスの温度は、約0.115ポンドm/秒(約0.51Nm/秒
)のメタンを与えられて約2000゜Fに上昇させられる。好適な実施形態では
、燃料と主流ガスとの混合物は8.886ポンドm/秒(約39.5Nm/秒)
の流量で、81.4モルパーセントの水分と8.1モルパーセントの酸素と1.
7モルパーセントのメタンと8.7モルパーセントの二酸化炭素とわずかなOH
および一酸化炭素とを含んでいる。燃焼の後、主流ガスは84.9モルパーセン
トの水分と4.7モルパーセントの酸素と10.4モルパーセントの二酸化炭素
とわずかなOHおよび一酸化炭素とを含んでいる。The mainstream gas of the turbine stage 132 is sent to a second reheater 133 of the same design as the reheater 131, where the mainstream gas is injected with more fuel and raised to the design inlet temperature of the turbine stage 134. . In a preferred embodiment, the above 245
The PSIA mainstream gas temperature is raised to about 2000 ° F. given about 0.115 lbm / sec (about 0.51 Nm / sec) of methane. In a preferred embodiment, the mixture of fuel and mainstream gas is 8.886 pounds m / sec (about 39.5 Nm / sec).
At a flow rate of 81.4 mole percent water, 8.1 mole percent oxygen and 1.
7 mole percent methane, 8.7 mole percent carbon dioxide and a little OH
And carbon monoxide. After combustion, the mainstream gas contains 84.9 mole percent water, 4.7 mole percent oxygen, 10.4 mole percent carbon dioxide and traces of OH and carbon monoxide.
【0064】
リヒータ133からの主流ガスは第二タービン段(中間圧力の第二タービン段
134)内で膨張して機械的エネルギを生じ、これが発電機137中で電気エネ
ルギに変換される。好適な実施形態では、245PSIA(約1688kPaA
)で2000゜Fの主流ガスが、直列三機の軸流タービンを擁するタービン段1
34内で60PSIA(約413kPaA)で1340゜Fにまで膨張する。こ
の膨張は約3270馬力(約2439kW)の機械的エネルギを生じ、タービン
134の効率を98.5%と想定した場合に2.40メガワットの電力に変換さ
れる。この2.36メガワットは全出力12.56メガワットの19.1%に相
当する。The mainstream gas from the reheater 133 expands in the second turbine stage (the intermediate turbine second turbine stage 134) to produce mechanical energy, which is converted to electrical energy in the generator 137. In the preferred embodiment, the 245 PSIA (approximately 1688 kPaA
) At 2000 ° F mainstream gas, turbine stage 1 with three inline axial turbines
Expand to 1340 ° F at 60 PSIA (about 413 kPaA) in 34. This expansion produces about 3270 horsepower (about 2439 kW) of mechanical energy, which translates into 2.40 megawatts of power assuming a turbine 134 efficiency of 98.5%. This 2.36 MW corresponds to 19.1% of the total output of 12.56 MW.
【0065】
タービン段134の主流ガスは上記リヒータ131と同一設計の第三リヒータ
135に送られ、そこで主流ガスはより多くの燃料を噴射させられてタービン段
136の設計入口温度にまで上昇させられる。好適な実施形態では、上記60P
SIAの主流ガスの温度は、約0.118ポンドm/秒(約0.52Nm/秒)
のメタンを与えられて約2000゜Fに上昇させられる。好適な実施形態では、
燃料と主流ガスとの混合物は9.004ポンドm/秒(約40.0Nm/秒)の
流量で、83.4モルパーセントの水分と4.6モルパーセントの酸素と1.7
モルパーセントのメタンと10.3モルパーセントの二酸化炭素とわずかなOH
および一酸化炭素とを含んでいる。燃焼の後、主流ガスは86.9モルパーセン
トの水分と1.1モルパーセントの酸素と12.0モルパーセントの二酸化炭素
とわずかなOHおよび一酸化炭素とを含んでいる。The mainstream gas of the turbine stage 134 is sent to a third reheater 135 of the same design as the reheater 131, where the mainstream gas is injected with more fuel and raised to the design inlet temperature of the turbine stage 136. . In a preferred embodiment, the above 60P
SIA mainstream gas temperature is about 0.118 lbm / sec (about 0.52 Nm / sec)
Methane is given and the temperature is raised to about 2000 ° F. In the preferred embodiment,
The mixture of fuel and mainstream gas had a flow rate of 9.004 lbm / sec (about 40.0 Nm / sec), 83.4 mole percent water, 4.6 mole percent oxygen and 1.7.
Mole percent methane, 10.3 mole percent carbon dioxide and a little OH
And carbon monoxide. After combustion, the mainstream gas contains 86.9 mole percent water, 1.1 mole percent oxygen, 12.0 mole percent carbon dioxide and traces of OH and carbon monoxide.
【0066】
リヒータ135からの主流ガスは第二タービン段(低圧第二タービン段)13
6内で膨張して機械的エネルギを生じ、これが発電機137中で電気エネルギに
変換される。好適な実施形態では、上記60PSIA(約413kPaA)で2
000゜Fの主流ガスが、典型的に直列三機の軸流タービンを擁するタービン段
136内で20PSIA(約138kPaA)で1590゜Fにまで膨張する。
この膨張は約2678馬力(約1998kW)の機械的エネルギを生じ、タービ
ン136の効率を98.5%と想定した場合に1.97メガワットの電力に変換
される。この1.97メガワットは全出力12.56メガワットの15.7%に
相当する。The mainstream gas from the reheater 135 is the second turbine stage (low pressure second turbine stage) 13
Expansion within 6 produces mechanical energy, which is converted into electrical energy in generator 137. In the preferred embodiment, 2 at the 60 PSIA (about 413 kPaA).
Mainstream gas at 000 ° F expands to 1590 ° F at 20 PSIA (about 138 kPaA) in turbine stage 136, which typically comprises a series of three axial turbines.
This expansion produces about 2678 horsepower (about 1998 kW) of mechanical energy, which translates to 1.97 megawatts of power assuming a turbine 136 efficiency of 98.5%. This 1.97 MW corresponds to 15.7% of the total output of 12.56 MW.
【0067】
タービン段136を出た主流ガスは後処理工程に入り、そこでこの主流ガスか
ら熱が回収されて補助発電システム50(図1および図5)でさらなる電力生成
のために利用される。The mainstream gas exiting turbine stage 136 enters a post-treatment step where heat is recovered from the mainstream gas and utilized in auxiliary power generation system 50 (FIGS. 1 and 5) for further power generation.
【0068】
D.補助発電システム
補助発電システム50(図5)は図5に示す付加的な流体循環配管を含んでい
る。主発電システム40内のタービン段136からの主流ガスは、好適な実施形
態では20PSIAにまで低下しているので、きわめて小さい内部エネルギを有
している。しかしながら、この排気ガスはタービン段126、132、134、
136を通過した後ではあっても、リヒータ131、133、135による再熱
のおかげで相当の熱エネルギを含んでいる。好適な実施形態では、たとえば、タ
ービン段136を出た主流ガスの温度は約1590゜Fとなっている。主流ガス
の熱エネルギ保有量は、この主流ガスの約86.9%が蒸気であってこの蒸気が
凝縮することによって補助発電システム50に対してかなりの熱源となるという
事実により、さらに増大する。D. Auxiliary Power Generation System Auxiliary power generation system 50 (FIG. 5) includes the additional fluid circulation piping shown in FIG. The mainstream gas from the turbine stage 136 in the main power generation system 40 has a very low internal energy as it has been reduced to 20 PSIA in the preferred embodiment. However, this exhaust gas does not contribute to the turbine stages 126, 132, 134,
Even after passing 136, it contains a considerable amount of thermal energy due to the reheating by the reheaters 131, 133, 135. In the preferred embodiment, for example, the temperature of the mainstream gas exiting turbine stage 136 is about 1590 ° F. The thermal energy carrying capacity of the mainstream gas is further increased by the fact that about 86.9% of this mainstream gas is steam, which condenses into a significant heat source for the auxiliary power generation system 50.
【0069】
発電システムからの排出ガスの後処理は、主発電システム40からの主流ガス
を冷却するために熱交換器H.E.#5を通して取り出すことを含んでいる。好
適な実施形態では、圧力20PSIA(約138kPaA)の主流ガスは159
0゜Fから230゜Fまで冷却され、その結果、主流ガスは19,710,00
0Btu/時間(約20,861,064kJ/時間)の熱損失を生じる。この
冷却された排出ガスは熱交換器H.E.#6を通過し、そこでこの主流ガス中の
蒸気は凝縮されて水となる。好適な実施形態では、この凝縮と冷却とによる熱損
失は、両熱交換器H.E.#5、H.E.#6の総熱損失たる43,610,0
00Btu/時間(約46,156,824kJ/時間)のうちの23,900
,000Btu/時間(約25,295,760kJ/時間)を占める。The post-treatment of the exhaust gas from the power generation system includes heat exchanger H.264 to cool the mainstream gas from the main power generation system 40. E. Includes removing through # 5. In a preferred embodiment, there is 159 mainstream gas at a pressure of 20 PSIA (about 138 kPaA).
Cooled from 0 ° F to 230 ° F, resulting in mainstream gas of 19,710,00
A heat loss of 0 Btu / hour (about 20,861,064 kJ / hour) occurs. This cooled exhaust gas is passed through the heat exchanger H.H. E. Passing through # 6, the steam in this mainstream gas is condensed to water. In the preferred embodiment, this heat loss due to condensation and cooling is due to both heat exchangers H.264. E. # 5, H.H. E. Total heat loss of # 6 is 43,610,0
23,900 of 00 Btu / hour (about 46,156,824 kJ / hour)
Occupies 1,000 Btu / hour (about 25,295,760 kJ / hour).
【0070】
この冷却工程のあいだ、一酸化炭素は酸素と結合して二酸化炭素およびOHと
なり、いくらかの酸素原子を損失して水となる。このようにして、好適な実施形
態では、主発電システム40からの排出ガスは86.9モルパーセントの水分と
1.1モルパーセントの酸素と12.0モルパーセントの二酸化炭素とわずかな
OHおよび一酸化炭素とを含むこととなり、その結果、冷却された主流ガスは水
分と二酸化炭素と酸素とだけを含有することになる。他の構成物のモルパーセン
トは無視できるものである。熱交換器H.E.#6内の二層混合流(たとえば水
分だけが液相)はスクラバー148(図1)に至る。スクラバー148からの余
剰水はストレージタンク154(図1および図5)に送られ、そこで一部が補助
発電システム50のための水とされ、他の一部は燃焼工程で生じる水を補充する
ためにしみ出され、残余は、水圧を約3500PSIA(約24115kPaA
)まで昇圧する水ポンプ151によってガス発生機30に戻される。高圧水ポン
プ151からの水は、ガス発生機30の噴射機120a、120bに戻る前に熱
交換器H.E.#7を通って約200゜Fにまで昇温される。During this cooling step, carbon monoxide combines with oxygen to carbon dioxide and OH and loses some oxygen atoms to water. Thus, in a preferred embodiment, the exhaust gas from the main power generation system 40 is 86.9 mole percent water, 1.1 mole percent oxygen, 12.0 mole percent carbon dioxide, and a small amount of OH and one part. It will contain carbon oxides, so that the cooled mainstream gas will contain only water, carbon dioxide and oxygen. The mole percentages of the other constituents are negligible. Heat exchanger H. E. The two-layer mixed flow in # 6 (for example, only water in the liquid phase) reaches the scrubber 148 (FIG. 1). Excess water from the scrubber 148 is sent to the storage tank 154 (FIGS. 1 and 5), where some is used as water for the auxiliary power generation system 50 and another is used to supplement the water produced in the combustion process. Exuded and the residue has a water pressure of about 3500 PSIA (about 24115 kPaA
) Is returned to the gas generator 30 by the water pump 151. The water from the high-pressure water pump 151 is supplied to the heat exchanger H.H. E. The temperature is raised to about 200 ° F through # 7.
【0071】
付加的な流体循環配管502からの水は、第一発電システム40から熱交換器
H.E.#5、H.E.#6を通って出る排出ガスにより、補助蒸気タービン段
142のタービン入口温度(たとえば1200゜F)にまで加熱される。熱交換
器H.E.#6の蒸発側は、水ポンプ152によってたとえば約1000PSI
A(約6890kPaA)に昇圧された、たとえば約150゜Fの水を受け入れ
る。熱交換器H.E.#6からの出力は低圧蒸気であり、これは熱交換器H.E
.#5に送られて、たとえば、約1200゜Fの温度で約1000PSIAの圧
力の過熱蒸気にされる。好適な実施形態では、主発電システム40から排出され
る主流ガスからの43,610,000Btu/時間(約46,156,824
kJ/時間)の熱は、補助発電システム50の蒸気に伝達される。Water from the additional fluid circulation line 502 is transferred from the first power generation system 40 to the heat exchanger H.264. E. # 5, H.H. E. The exhaust gas exiting through # 6 heats up to the turbine inlet temperature of auxiliary steam turbine stage 142 (eg, 1200 ° F.). Heat exchanger H. E. The evaporating side of # 6 is, for example, about 1000 PSI by the water pump 152.
It receives water that has been boosted to A (about 6890 kPaA), for example about 150 ° F. Heat exchanger H. E. The output from # 6 is low pressure steam, which is heat exchanger H.264. E
. # 5 is sent to superheated steam at a temperature of about 1200 ° F. and a pressure of about 1000 PSIA. In the preferred embodiment, 43,610,000 Btu / hour (about 46,156,824 from the mainstream gas exhausted from the main power generation system 40).
kJ / hour) of heat is transferred to the steam of the auxiliary power generation system 50.
【0072】
二つの分離した熱交換器の蒸発および凝縮の機能は熱伝達の非常に効果的な手
段である。熱交換器H.E.#6における潜熱の熱伝達のために必要な平面部分
は、他の熱交換器H.E.#5における顕熱の熱伝達に必要な平面部分よりきわ
めて小さい。熱交換器H.E.#6の潜熱の総熱伝達量が他の熱交換器H.E.
#5における顕熱の総熱伝達量に較べて多いにも拘わらずである。The function of evaporation and condensation of the two separate heat exchangers is a very effective means of heat transfer. Heat exchanger H. E. The flat portion required for the heat transfer of the latent heat in # 6 is the heat exchanger H. E. It is much smaller than the flat part required for heat transfer of sensible heat in # 5. Heat exchanger H. E. The total heat transfer amount of the latent heat of # 6 is different from that of other heat exchangers H. E.
This is despite the fact that the amount of sensible heat in # 5 is larger than the total amount of heat transfer.
【0073】
この過熱蒸気は補助タービン段142に至り、ここで、熱交換器H.E.#5
、H.E.#6から蒸気へ伝達された熱のある部分が機械的エネルギに変換され
る。好適な実施形態では、この補助タービン段が、熱交換器H.E.#5、H.
E.#6において蒸気に与えられた熱(43,610,000Btu/時間)の
うち13,900,000Btu/時間(約14,711,760kJ/時間)
が、タービン段142の効率を31.87%としたときに5459馬力(約40
72kW)に変換される。補助タービン段142のこの5459馬力は、発電機
137において、その効率を98.5%としたときに4.01メガワットの電力
に変換される。この4.01メガワットは、発電機137とともに補助タービン
段142の31.4%の効率を表すことになり、全出力12.56メガワットの
31.92%に相当することを意味する。This superheated steam reaches the auxiliary turbine stage 142, where the heat exchanger H. E. # 5
, H .; E. Some of the heat transferred from # 6 to steam is converted to mechanical energy. In the preferred embodiment, this auxiliary turbine stage is a heat exchanger H.264. E. # 5, H.H.
E. 13,900,000 Btu / hour (about 14,711,760 kJ / hour) of the heat given to steam (43,610,000 Btu / hour) in # 6
However, when the efficiency of the turbine stage 142 is set to 31.87%, 5459 horsepower (about 40
72 kW). This 5459 horsepower of auxiliary turbine stage 142 is converted in generator 137 to 4.01 megawatts of power when its efficiency is 98.5%. This 4.01 MW would represent an efficiency of 31.4% of the auxiliary turbine stage 142 along with the generator 137, meaning that it corresponds to 31.92% of the total output 12.56 MW.
【0074】
補助タービン段142は直列に配置された二機の半径流タービンから構成して
もよい。そしてこれは主発電機137および/または分離独立した発電システム
に駆動力を与える。補助タービン段142からの排出ガスは、たとえば、約23
0゜Fの温度と約10PSIA(約68.9kPaA)の圧力を持った蒸気とな
る。この蒸気は熱交換器H.E.#7において凝縮されて水となり、この水は水
ポンプ152によって熱交換器H.E.#5、H.E.#6に戻される。The auxiliary turbine stage 142 may consist of two radial turbines arranged in series. This then provides driving power to the main generator 137 and / or a separate power generation system. The exhaust gas from the auxiliary turbine stage 142 is, for example, about 23
The vapor has a temperature of 0 ° F and a pressure of about 10 PSIA (about 68.9 kPaA). This steam is used in the heat exchanger H.264. E. In # 7, the water is condensed into water, and this water is supplied to the heat exchanger H.264 by the water pump 152. E. # 5, H.H. E. Returned to # 6.
【0075】
下記の表2は、好適な実施形態における12.56メガワット発電のための各
タービン段の分担をまとめたものである。Table 2 below summarizes the sharing of each turbine stage for 12.56 MW power generation in the preferred embodiment.
【0076】[0076]
【表2】 [Table 2]
【0077】
タービン段142の分担が大きい理由は、
(1)再熱工程において主流ガスの熱エネルギの保有量を、この工程における後
の段で熱交換器H.E.#5、H.E.#6、H.E.#7によって完全に使用
されるまで、かなり高く維持しているからであり、
(2)主流ガスと補助蒸気とに内在する潜熱が、熱交換器H.E.#5、H.E
.#6を通過する両流体内の熱量の最大利用を促進するからであり、
(3)高圧システムの能力が、燃焼工程の蒸気や他の排出ガス(たとえば二酸化
炭素や窒素)の圧縮によるよりも、水のポンピングによって大幅に向上するから
である。The reason for the large share of the turbine stage 142 is that (1) the retained amount of heat energy of the mainstream gas in the reheat step is changed to the heat exchanger H. E. # 5, H.H. E. # 6, H.H. E. It remains fairly high until it is completely used by # 7, and (2) the latent heat inherent in the mainstream gas and the auxiliary steam causes the heat exchanger H.H. E. # 5, H.H. E
. This is because it promotes the maximum utilization of the amount of heat in both fluids passing through # 6, and (3) the capacity of the high pressure system is greater than the compression of combustion process vapors and other exhaust gases (eg carbon dioxide and nitrogen). , Because it is greatly improved by pumping water.
【0078】
E.結論
本発明の発電システムは現在いかなる所においても高効率であり、本質的に汚
染物の排出がゼロであり、きわめてコンパクトである。酸素および燃料(たとえ
ばメタンや天然ガス)は、蒸気が吸熱媒体として作用しながら、燃焼してエネル
ギを供給する。高圧運転のおかげでガス発生機と高圧タービンとが与えられた出
力動力に対してコンパクトに構成されうるため、このシステムは従来のシステム
に較べて大幅にコンパクトなものとなる。本発明の特徴によれば、産業用発電シ
ステム1(図1)は、同等出力の従来の産業用発電システムに較べて約30%小
さく構成することができる(12.56メガワットに対するもの)。E. Conclusion The power generation system of the present invention is now highly efficient everywhere, has essentially zero pollutant emissions and is extremely compact. Oxygen and fuel (eg, methane and natural gas) burn and supply energy while the vapor acts as an endothermic medium. Due to the high-pressure operation, the gas generator and the high-pressure turbine can be constructed compactly for a given output power, which makes the system considerably more compact than conventional systems. According to a feature of the invention, the industrial power generation system 1 (FIG. 1) can be configured about 30% smaller (for 12.56 MW) than a conventional industrial power generation system of equivalent power.
【0079】
燃焼工程からの窒素除去は、この発電システムによっては実質的にスモッグは
発生しないことを意味する。イオウに噴射された石灰水のカルシウムを混合する
ことは、この発電システムによれば実質的に酸性雨が発生することがないことを
意味する。Removal of nitrogen from the combustion process means that virtually no smog is produced by this power generation system. Mixing calcium sprayed with lime water into sulfur means that substantially no acid rain is produced by this power generation system.
【0080】
窒素のような吸熱媒体が全く存在しない理論的運転条件では、全ての燃料を消
費するために適当な量の酸化材が供給される。この理論的条件において、燃焼室
118内のガス温度は得られる最高の温度(たとえば6000°F以上)である
。一般に燃焼室の壁はこのような高温には耐えられない。本発明の発電システム
1(図1)においては、燃焼室118にダメージを与えないように燃焼温度を低
く保持する(たとえば3200°F)ために、燃焼工程に水/蒸気が添加される
。In theoretical operating conditions in which there is no endothermic medium such as nitrogen, an adequate amount of oxidant is provided to consume all the fuel. Under this theoretical condition, the gas temperature in the combustion chamber 118 is the highest temperature that can be obtained (for example, 6000 ° F or higher). Generally, the walls of the combustion chamber cannot withstand such high temperatures. In the power generation system 1 (FIG. 1) of the present invention, water / steam is added to the combustion process to keep the combustion temperature low (eg, 3200 ° F.) so as not to damage the combustion chamber 118.
【0081】
噴射機の内部空間からの予混合ガスは、インジェクタ板116上にこれを貫通
して均一に形成された噴射口309を通して移動させられる。噴射機の面306
の中央にはイグナイタ117(たとえば点火プラグ)が配設されている。燃焼は
約3300PSIA(約22737kPaA)のような高圧で発生する。このよ
うな高圧は過去の発電産業では用いられていない。もちろん、他の適当な高圧力
を用いてもよい。The premixed gas from the internal space of the injector is moved through the injection port 309 formed uniformly on the injector plate 116. Face 306 of the injector
An igniter 117 (for example, a spark plug) is arranged at the center of the. Combustion occurs at high pressure, such as about 3300 PSIA (about 22737 kPaA). Such high voltages have not been used in the past power generation industry. Of course, other suitable high pressures may be used.
【0082】
本発明の発電システム1における燃焼室118は、たとえば、液体ロケットエ
ンジンに採用されているものと類似した壁を通して水/蒸気を噴射するしみ出し
冷却を用いて冷却される。燃焼室118の壁を適当な低温(たとえば約800°
F)に維持する目的で壁を透して冷却材を供給するために、フォトエッチングさ
れた微細なチャンネル624を有する環状のステンレス鋼製ウェハー610、6
20(図6Aおよび図6B)が用いられる。噴射機120a、120bから付加
的な水が噴射され、燃焼室118のすぐ下流において主流ガスに混合される。熱
交換器H.E.#4は主流ガスから熱を奪い、予混合室114(すなわちミキサ
114)に送られてくる蒸気に熱を与える。予混合室114における蒸気は高温
であるため酸素との混合が促進される。混合された蒸気および酸素は混合室30
3に強制的に送られ、そこで燃料と混合され、燃焼室118において瞬時に燃焼
が発生するように反応時間が低減される。The combustion chamber 118 in the power generation system 1 of the present invention is cooled using, for example, exudation cooling which injects water / steam through a wall similar to that employed in liquid rocket engines. The wall of the combustion chamber 118 is kept at an appropriate low temperature (for example, about 800 °).
Annular stainless steel wafers 610,6 with photoetched microscopic channels 624 to provide coolant through walls for maintenance at F).
20 (FIGS. 6A and 6B) are used. Additional water is injected from the injectors 120a, 120b and mixed with the mainstream gas just downstream of the combustion chamber 118. Heat exchanger H. E. # 4 removes heat from the mainstream gas and gives heat to the steam sent to the premix chamber 114 (that is, the mixer 114). Since the vapor in the premix chamber 114 has a high temperature, mixing with oxygen is promoted. The mixed vapor and oxygen are mixed in the mixing chamber 30.
3 where it is mixed with fuel and reaction time is reduced so that instantaneous combustion occurs in combustion chamber 118.
【0083】
噴射機120a、120bおよび飛散板121は熱交換器H.E.#4のすぐ
下流に配設されている。このステーションにおいて噴射される水の量は第一段タ
ービン126の入口に配設された熱電対(図1における温度センサ180)によ
って制御されている。タービン段126の入口温度は前述した設計条件に設定さ
れており、この条件の±10°Fが維持されるように延長部320への噴射水の
量が制御される。The injectors 120a and 120b and the scatter plate 121 are connected to the heat exchanger H.264. E. It is located just downstream of # 4. The amount of water injected at this station is controlled by a thermocouple (temperature sensor 180 in FIG. 1) arranged at the inlet of the first stage turbine 126. The inlet temperature of the turbine stage 126 is set to the design condition described above, and the amount of water injected to the extension portion 320 is controlled so that ± 10 ° F of this condition is maintained.
【0084】
半径流タービン(すなわちタービン段126)は主発電システム40の第一段
階として備えられている。半径流タービンが選択されているのは、高い入口圧力
(約3000PSIA(約20670kPaA))および比較的低速(3600
RPM)は、理にかなった運転効率およびコンパクトサイズのために低い比速度
のタービンを必要とするからである。半径流タービンが低比速度で好調であるの
に対し、軸流タービンは高比速度で好調である。A radial turbine (ie turbine stage 126) is provided as the first stage of the main power generation system 40. Radial flow turbines were selected for their high inlet pressure (about 3000 PSIA) and relatively low speed (3600).
(RPM) requires a low specific speed turbine for reasonable operating efficiency and compact size. Radial flow turbines perform well at low specific speeds while axial flow turbines perform well at high specific speeds.
【0085】
高圧の第二段タービン132に入る前の主流ガスを過熱するために、第一段タ
ービン126と高圧第二段タービン132とのあいだにリヒータ131(図4)
が配設されている。中間圧力の第二段タービン134に入る前の主流ガスを再熱
するために、第二段タービン132のすぐ下流に他のリヒータ133が配設され
ている。このタービン段134の下流には第三リヒータ135が付設されており
、そこで加えられる燃料は当初の燃焼ガス中の残留酸素を消費するのに十分な量
である。したがって、リヒータ135からの排出ガスは、次の段のタービンの設
計入口温度において、わずかな量の未燃炭化水素とわずかな酸素とを含むであろ
う。好適な実施形態において、発生する全電力に基づいたリヒータ131、13
3、135の組合せ効果は、まず、高圧第二段タービン132後の10%の増加
、中間圧力の第二段タービン134後の27%の増加、および、低圧第二段ター
ビン136後の42%の増加である(これは全て第一段タービン126のみによ
る発生電力と比較したものである)。これらの結果は、実質的なマージンによっ
て主発電システム40の総合出力を増加させるリヒータの累積的効果を示すもの
である。A reheater 131 (FIG. 4) is provided between the first-stage turbine 126 and the high-pressure second-stage turbine 132 to superheat the mainstream gas before entering the high-pressure second-stage turbine 132.
Is provided. Another reheater 133 is disposed immediately downstream of the second stage turbine 132 to reheat the mainstream gas prior to entering the intermediate pressure second stage turbine 134. A third reheater 135 is attached downstream of the turbine stage 134, and the amount of fuel added there is sufficient to consume the residual oxygen in the original combustion gas. Thus, the exhaust gas from the reheater 135 will contain a small amount of unburned hydrocarbons and a small amount of oxygen at the design inlet temperature of the next stage turbine. In the preferred embodiment, the reheaters 131, 13 based on the total power generated.
The combined effect of 3,135 is firstly a 10% increase after the high pressure second stage turbine 132, a 27% increase after the intermediate pressure second stage turbine 134 and a 42% after the low pressure second stage turbine 136. (This is all compared to the power generated by the first stage turbine 126 only). These results show the cumulative effect of the reheater on increasing the overall output of the main power generation system 40 with a substantial margin.
【0086】
タービン段126、132、134、136の後、主流ガスのほとんどの圧力
はタービンを駆動するために消費されてしまっている。しかしながら、主流ガス
はまだ比較的高温である。補助蒸気タービン段142によってシステム1(図1
)は複合サイクルシステムとなる。タービン段136を出た主流ガスからの熱は
熱交換器H.E.#5、H.E.#6において補助蒸気流に伝達される。その後
の蒸気は付加発電のために蒸気タービン142に送られる。この蒸気タービン1
42は閉ループシステムの一部をなし、そこで蒸気タービン142を駆動するた
めに用いられる蒸気は、熱交換器H.E.#7において燃焼室118に再循環す
る水によって冷却され、水に凝縮される。水分は補助タービン段142を駆動す
るために必要な圧力までポンプアップされた後、水は主発電システム40からの
主排出ガス流によって蒸発させられ過熱させられる。ここで再び、主発電システ
ム40のリヒータ131、133、135は、補助蒸気タービン142において
回収され且つ使用されうるエネルギの量を増加する。好適な実施形態では、補助
発電システム50がシステム1の全電力出力の約30%を占める。After the turbine stages 126, 132, 134, 136, most of the mainstream gas pressure has been consumed to drive the turbine. However, the mainstream gas is still relatively hot. Auxiliary steam turbine stage 142 allows system 1 (FIG.
) Is a combined cycle system. The heat from the mainstream gas exiting turbine stage 136 is transferred to heat exchanger H.264. E. # 5, H.H. E. It is transferred to the auxiliary steam flow at # 6. The subsequent steam is sent to the steam turbine 142 for additional power generation. This steam turbine 1
42 forms part of a closed loop system in which the steam used to drive the steam turbine 142 is connected to a heat exchanger H.H. E. In # 7, it is cooled by the water recirculated to the combustion chamber 118 and condensed into water. After the water is pumped up to the pressure required to drive the auxiliary turbine stage 142, the water is vaporized and superheated by the main exhaust gas stream from the main power generation system 40. Here again, the reheaters 131, 133, 135 of the main power generation system 40 increase the amount of energy that can be recovered and used in the auxiliary steam turbine 142. In the preferred embodiment, the auxiliary power generation system 50 comprises about 30% of the total power output of system 1.
【0087】
好適な実施形態では、主発電システム40からの排出ガスはそのほとんどが液
相の水と気相の二酸化炭素である。この排出ガスは分離タンク148に注ぎ込み
、そこで水が切られる。ほとんどの水はポンプ151および熱交換器H.E.#
7を通ってガス発生機に戻され、そのうちのいくらかは補助蒸気発電システム5
0のために用いられ、残余は必要に応じて利用される有用生産物(商品)となる
。分離タンク148からのガスは主に二酸化炭素であり他はいくらかの酸素(も
し酸素が酸素発生システム20から過剰供給された場合)である。二酸化炭素と
酸素とは分離され、商業的に販売されるか有用生産物として利用される。一例と
して、酸素発生システム20から供給される酸素の量は、排出ガス中に残存しな
いように少なく抑えられる。そのような場合、分離タンク148内には気相の二
酸化炭素が存在する。産業用発電システム1による全ての副産物は生産品として
利用されるので、このシステムは実質的に閉ループシステムとなり、そこでは汚
染物がたとえ存在しているとしてもほとんど環境に放出されることはない。In the preferred embodiment, the exhaust gas from the main power generation system 40 is mostly water in the liquid phase and carbon dioxide in the gas phase. This exhaust gas is poured into the separation tank 148 where it is drained. Most of the water is pump 151 and heat exchanger H.264. E. #
7 to the gas generator, some of which is the auxiliary steam power generation system 5
Used for 0, and the rest is useful products (commodities) that are used as needed. The gas from the separation tank 148 is predominantly carbon dioxide and some is some oxygen (if oxygen is oversupplied from the oxygen generation system 20). Carbon dioxide and oxygen are separated and sold commercially or used as useful products. As an example, the amount of oxygen supplied from the oxygen generation system 20 is kept low so that it does not remain in the exhaust gas. In such a case, gas phase carbon dioxide is present in the separation tank 148. Since all by-products from the industrial power generation system 1 are utilized as products, this system is essentially a closed loop system, where pollutants, if any, are rarely released to the environment.
【0088】
本発明のシステムは、既存のタービン、発電機、およびあらゆるガス分離装置
を使用する既存のガス発生機発電プラントを改善するために適用することが可能
である。空気から酸素を作り出す既存の技術は、既存の蒸気発電設備と同様に蒸
気プラントにも組み込まれる。窒素およびアルゴンの回収は、二酸化炭素の回収
と同様に既存の酸素製造システムによって可能である。混合室、燃焼室、熱交換
器、およびリヒータは上記改善されたプロセスに適合するように組み込まれる必
要がある。The system of the present invention can be applied to retrofit existing gas generator power plants that use existing turbines, generators, and any gas separation equipment. Existing technology to produce oxygen from air will be incorporated into steam plants as well as existing steam power plants. Recovery of nitrogen and argon is possible with existing oxygen production systems as well as recovery of carbon dioxide. Mixing chambers, combustion chambers, heat exchangers, and reheaters need to be incorporated to accommodate the improved process.
【0089】
一実施形態では、酸素は燃焼室118での燃焼の前に理論比で燃料に混合され
る。酸素は、ガス発生機30の出口では過剰量はないので分けられてリヒータ1
31、133、135に供給される。リヒータ131、133、135に供給さ
れる酸素および燃料の量は、ガス発生機30の出口にどれだけの未燃焼燃料およ
び過剰酸素の量が存在するかに依存する。In one embodiment, oxygen is mixed with fuel in stoichiometric ratio prior to combustion in combustion chamber 118. Since there is no excess amount of oxygen at the outlet of the gas generator 30, the oxygen is separated and the reheater 1
31, 133, 135. The amount of oxygen and fuel supplied to the reheaters 131, 133, 135 depends on how much unburned fuel and excess oxygen is present at the outlet of the gas generator 30.
【0090】
12.36メガワットの産業発電システムが好適実施形態として述べられたが
、各構成機器をサイズアップ(または、サイズダウン)することにより、より高
出力(または、より低出力)のシステムとしてもよい。Although a 12.36 MW industrial power generation system has been described as a preferred embodiment, a higher output (or lower output) system can be obtained by increasing the size (or size) of each component. Good.
【0091】
本発明の特徴は具体例を参照して説明されたが、当業者はこの開示を検討した
後で各種の変換や改良ができることを認めるであろう。前述された実施形態はあ
くまで例示的であり、本発明を限定するものではない。本発明は特許請求の範囲
によって規定される。Although features of the present invention have been described with reference to specific examples, those skilled in the art will recognize that various modifications and improvements can be made after reviewing this disclosure. The embodiments described above are merely illustrative and do not limit the present invention. The invention is defined by the claims.
【図1】
本発明に関する各機器を示す産業用の発電システムの全体を概略的に示す図で
ある。FIG. 1 is a diagram schematically showing an entire industrial power generation system showing each device related to the present invention.
【図2】 図1における酸素製造システムを概略的に示す図である。[Fig. 2] It is a figure which shows schematically the oxygen production system in FIG.
【図3】
図1における、ガスタービンに流入する前のガスの処理システムがその直後に
付設されたガス発生機を概略的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing a gas generator in FIG. 1 to which a gas treatment system before flowing into a gas turbine is provided immediately after that.
【図4】
図1における、電力を発生するための主電力システムに使用される軸流タービ
ンおよび半径流タービン、および、段間再熱システムを概略的に示す図である。FIG. 4 is a schematic diagram of the axial and radial turbines used in the main power system for generating electrical power and the interstage reheat system of FIG. 1.
【図5】
図1における、主発電システムからの排熱を回収する補助蒸気発電システムを
概略的に示す図である。5 is a diagram schematically showing an auxiliary steam power generation system for recovering exhaust heat from the main power generation system in FIG. 1. FIG.
【図6A】
燃焼室をしみ出し冷却するための、図3における一連の円環状板のうちの二枚
の円環状板を示す分解等角図である。6A is an exploded isometric view of two annular plates of the series of annular plates in FIG. 3 for seeping and cooling the combustion chamber.
【図6B】
図6Aの一部であって円環状板内のチャンネル(溝)を示す、詳細な分解等角
図である。6B is a detailed exploded isometric view of a portion of FIG. 6A showing channels (grooves) in the toroidal plate.
【図7】 本発明の趣旨に従って使用されるリヒータの一実施形態を示す等角図である。[Figure 7] FIG. 6 is an isometric view of one embodiment of a reheater used in accordance with the spirit of the invention.
【図8A】 本発明の趣旨に従って使用される円環状板熱交換器を示す等角図である。FIG. 8A FIG. 3 is an isometric view showing an annular plate heat exchanger used according to the spirit of the present invention.
【図8B】 図8Aの円環状板熱交換器を示す組立後等角図である。FIG. 8B FIG. 8B is an assembled isometric view of the annular plate heat exchanger of FIG. 8A.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM ,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM) ,AL,AM,AT,AU,AZ,BA,BB,BG, BR,BY,CA,CH,CN,CU,CZ,DE,D K,EE,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM ,HR,HU,ID,IL,IS,JP,KE,KG, KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS,LT,L U,LV,MD,MG,MK,MN,MW,MX,NO ,NZ,PL,PT,RO,RU,SD,SE,SG, SI,SK,SL,TJ,TM,TR,TT,UA,U G,UZ,VN,YU,ZW─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ , CF, CG, CI, CM, GA, GN, GW, ML, MR, NE, SN, TD, TG), AP (GH, GM, K E, LS, MW, SD, SZ, UG, ZW), EA (AM , AZ, BY, KG, KZ, MD, RU, TJ, TM) , AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU, CZ, DE, D K, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM , HR, HU, ID, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, L U, LV, MD, MG, MK, MN, MW, MX, NO , NZ, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TR, TT, UA, U G, UZ, VN, YU, ZW
Claims (27)
記第一混合物が空気中におけるより少ない窒素と空気中におけるより多い酸素と
を含んでいる第一混合物源と、 燃料源と、 上記第一混合物を受け入れ、第一混合物と燃料とを混合して第二混合物を生成
するように構成された混合ユニットと、 上記第二混合物を受け入れるように構成された燃焼室を画する燃焼室壁と、 上記燃焼室内に配設された、上記第二混合物に点火するためのイグナイタと を備えてなる低汚染物産業発電システム。1. A source of a first mixture comprising an oxygen rich gas, the first mixture source comprising less nitrogen in air and more oxygen in air. A fuel source, a mixing unit configured to receive the first mixture and mix the first mixture with fuel to produce a second mixture, and a combustion chamber configured to receive the second mixture And a igniter for igniting the second mixture, the low-pollutant industrial power generation system being provided in the combustion chamber.
んでなる請求項1に記載のシステム。2. The system of claim 1, wherein the oxygen rich gas comprises 50 mole percent or more oxygen.
んでなる請求項1に記載のシステム。3. The system of claim 1, wherein the oxygen-rich gas comprises 90 mole percent or more oxygen.
んでなる請求項1に記載のシステム。4. The system of claim 1, wherein the oxygen rich gas comprises 99 mole percent or more oxygen.
合物の少なくとも一種が炭素を含んでなる請求項1に記載のシステム。5. The system of claim 1, wherein the fuel comprises a compound containing carbon and hydrogen, at least one of the compounds comprising carbon.
。6. The system of claim 1, wherein the fuel comprises natural gas.
なガスとを受け入れ且つ混合して第一混合物とするように構成された混合ユニッ
トとをさらに備えてなる請求項6に記載のシステム。8. A source of an inert heat absorbing medium and a mixing unit configured to receive and mix the heat absorbing medium and an oxygen rich gas into a first mixture. The system according to claim 6.
8に記載のシステム。9. The system of claim 8 wherein said inert heat absorbing medium comprises primarily water.
り、該弁が開弁したときに燃焼室が混合ユニットからの第二混合物を受け入れ得
るようにされた請求項1に記載のシステム。10. A valve is disposed between the combustion chamber and the mixing unit, the combustion chamber being adapted to receive a second mixture from the mixing unit when the valve is opened. The system according to 1.
さらに備えてなる請求項1に記載のシステム。11. The system of claim 1, further comprising an injector for injecting a heat absorbing medium downstream of the combustion chamber.
に備えており、上記噴射機ステーションが、上記温度センサの検出温度が予め設
定した温度より高いときにだけ熱吸収媒体を噴射するように構成された請求項1
1に記載のシステム。12. A temperature sensor further disposed near the inlet of the first stage turbine, wherein the injector station activates the heat absorbing medium only when the temperature detected by the temperature sensor is higher than a preset temperature. Claim 1 configured to inject
The system according to 1.
る請求項1に記載のシステム。13. The system of claim 1 which is a closed loop system with substantially zero pollutant emissions.
上記第一混合物が空気中におけるより少ない窒素と空気中におけるより多い酸素
とを含んでいる第一混合物源を提供することと、 燃料源を提供することと、 上記第一混合物を受け入れ、第一混合物と燃料とを混合して第二混合物を生成
するように構成された混合ユニットを提供することと、 上記混合ユニットからの第二混合物を受け入れるように構成された燃焼室を画
する燃焼室壁を提供することと、 上記燃焼室内に配設された、上記第二混合物に点火するためのイグナイタを提
供することと を含んでなる方法。14. A source of a first mixture comprising an oxygen-rich gas, comprising:
Providing a first mixture source, wherein the first mixture contains less nitrogen in air and more oxygen in air, providing a fuel source, receiving the first mixture, and Providing a mixing unit configured to mix the mixture with fuel to produce a second mixture; and a combustion chamber wall defining a combustion chamber configured to receive the second mixture from the mixing unit. And providing an igniter disposed within the combustion chamber for igniting the second mixture.
む第一混合物を、燃料と混合して第二混合物とする工程と、 該第二混合物を燃焼室に導入する工程と を含んでなる産業発電方法。15. A step of mixing a first mixture containing less nitrogen and oxygen-rich gas in air with a fuel to form a second mixture, and introducing the second mixture into a combustion chamber. Industrial power generation method comprising.
ガスと不活性な熱吸収媒体とを混合して第一混合物を生成する工程をさらに含ん
でなる請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15 further comprising the step of mixing the oxygen rich gas with an inert heat absorbing medium to form the first mixture prior to mixing the first mixture with the fuel. The method described.
染物産業発電システムであって、 上記燃焼室の下流に配置され、上記ガス発生機からのガス発生機排出ガスによ
って駆動される第一段タービンと、 該第一段タービンの下流に配置され、第一段タービンからのガス発生機排出ガ
スを受け入れるように構成されたリヒータと、 上記リヒータの下流に配置され、該リヒータからのガス発生機排出ガスによっ
て駆動される第二段タービンと、 該第二段タービンの下流に配置され、該第二段タービンからのガス発生機排出
ガスを受け入れ、主流ガスから補助流体流へ熱を伝達するように構成された熱交
換器と、 上記補助流体流によって駆動されるように構成された補助段タービンと を備えてなる低汚染物産業発電システム。17. A low-pollutant industrial power generation system comprising a gas generator and a gas generator having a combustion chamber configured to generate exhaust gas, the low-pollutant industrial power generation system being disposed downstream of the combustion chamber. A first stage turbine driven by the gas generator exhaust gas from the gas generator and a reheater disposed downstream of the first stage turbine and configured to receive the gas generator exhaust gas from the first stage turbine. A second stage turbine arranged downstream of the reheater and driven by exhaust gas from the gas generator from the reheater; and a gas generator arranged downstream of the second stage turbine from the second stage turbine. A heat exchanger configured to receive exhaust gas and transfer heat from a mainstream gas to an auxiliary fluid stream; and an auxiliary stage turbine configured to be driven by the auxiliary fluid stream Low pollutant industrial power generation system.
に構成され、上記リヒータが燃料を受け入れて第一混合物と混合するように構成
された入口を有しており、該第一混合物が空気中におけるより少ない窒素を含ん
でおり、上記ガス発生機排出ガスが点火温度より高い温度であるときにリヒータ
内で瞬時の燃焼が発生するようにされてなる請求項17に記載のシステム。18. The combustion chamber is configured to exhaust oxygen in the gas generator exhaust gas, and the reheater has an inlet configured to receive fuel and mix with the first mixture, 18. The instantaneous combustion in the reheater when the first mixture contains less nitrogen in the air and the gas generator exhaust gas is at a temperature above the ignition temperature. The system described.
が第一の第二段タービンであるシステムであって、 該第一の第二段タービンの下流に配置され、該第一の第二段タービンからのガ
ス発生機排出ガスを受け入れ且つこれを加熱するように構成された第二リヒータ
と、 該第二リヒータの下流に配置され、該第二リヒータからのガス発生機排出ガス
を受け入れ且つこれによって駆動される第二の第二段タービンと、 該第二の第二段タービンの下流に配置され、該第二の第二段タービンからのガ
ス発生機排出ガスを受け入れ且つこれを加熱するように構成された第三リヒータ
と、 該第三リヒータの下流に配置され、該第三リヒータからのガス発生機排出ガス
を受け入れ且つこれによって駆動される第三の第二段タービンとを備えており、 上記熱交換器が該第三の第二段タービンの下流に配置されてなる 請求項17記載のシステム。19. A system in which the reheater is a first reheater and the second stage turbine is a first second stage turbine, the system being arranged downstream of the first second stage turbine, A second reheater configured to receive and heat the gas generator exhaust gas from the one second stage turbine; and a gas generator exhaust from the second reheater disposed downstream of the second reheater. A second second stage turbine that receives and is driven by the gas, and is disposed downstream of the second second stage turbine and receives the gas generator exhaust gas from the second second stage turbine; A third reheater configured to heat the third reheater, and a third second stage turbine disposed downstream of the third reheater for receiving and driving the gas generator exhaust gas from the third reheater When Provided by and The system of claim 17 wherein said heat exchanger is disposed downstream of the second stage turbine said third.
分を提供することと、 上記燃焼室の下流に配置され、上記ガス発生機からのガス発生機排出ガスを受
け入れ、これによって駆動される第一段タービンを提供することと、 該第一段タービンの下流に配置され、第一段タービンからのガス発生機排出ガ
スを受け入れてこれを加熱するように構成されたリヒータを提供することと、 上記リヒータの下流に配置され、該リヒータからのガス発生機排出ガスを受け
入れ、これによって駆動される第二段タービンを提供することと、 該第二段タービンの下流に配置され、該第二段タービンからのガス発生機排出
ガスからの熱を補助流体流へ伝達するように構成された熱交換器を提供すること
と、 上記補助流体流を受け入れ、これによって駆動されるように構成された補助段
タービンを提供することと を含んでなる方法。20. Providing a combustion chamber portion configured to generate a gas generator exhaust gas; disposed downstream of the combustion chamber and receiving gas generator exhaust gas from the gas generator; Providing a first stage turbine driven thereby, and a reheater disposed downstream of the first stage turbine and configured to receive and heat the gas generator exhaust gas from the first stage turbine. Providing a second stage turbine disposed downstream of the reheater, receiving gas generator exhaust gas from the reheater, and driven by the gas generator exhaust gas; and arranging downstream of the second stage turbine. And a heat exchanger configured to transfer heat from the gas generator exhaust gas from the second stage turbine to an auxiliary fluid stream, the heat exchanger receiving the auxiliary fluid stream, and The method comprising providing a configured auxiliary stage turbine to be driven by.
焼させる工程と、 第一の量の動力を発生させるために、燃焼室からのガス発生機排出ガスを第一
段タービンを通して膨張させる行程と、 第一段タービンからのガス発生機排出ガスを再熱する工程と、 第二の量の動力を発生させるために、上記再熱されたガス発生機排出ガスを第
二段タービンを通して膨張させる行程と、 第二段タービンからのガス発生機排出ガスの熱を補助流体流へ伝達する工程と
、 第三の量の動力を発生させるために、補助流体流を補助段タービン内で膨張さ
せる行程と を含んでなる産業発電方法。21. Combusting a gas in a combustion chamber to produce a gas generator exhaust gas; and producing a first amount of power, the gas generator exhaust gas from the combustion chamber in a first stage. The step of expanding through the turbine, the step of reheating the gas generator exhaust gas from the first stage turbine, and the second step of adding the reheated gas generator exhaust gas to generate a second amount of power. The step of expanding through the stage turbine, the step of transferring the heat of the gas generator exhaust gas from the second stage turbine to the auxiliary fluid stream, and the auxiliary fluid stream for generating the third amount of power. An industrial power generation method comprising: an in-swelling step.
ことにより、酸素を含むガス発生機排出ガスを生成するものであり、さらに、リ
ヒータに燃料を添加する工程が付加されてなる請求項21に記載の産業発電方法
。22. The step of burning the gas is for generating a gas generator exhaust gas containing oxygen by burning the gas in the combustion chamber, and a step of adding fuel to the reheater is added. 22. The industrial power generation method according to claim 21.
備えており、 該燃焼室壁が複数本のチャンネルを画しており、該複数本のチャンネルが上記
熱吸収媒体供給源と燃焼室とを連通させており、熱吸収媒体供給源が複数本のチ
ャンネルを通して熱吸収媒体を燃焼室に噴射するように構成されており、熱吸収
媒体が、複数本のチャンネルを通過するときに燃焼室から燃焼室壁を透して熱を
受け取り、こうすることによって熱吸収媒体が燃焼室内に噴射される前に蒸発す
るように構成されてなる産業用ガス発生機。23. A liquid-phase heat absorbing medium supply source and a combustion chamber wall defining a combustion chamber, the combustion chamber wall defining a plurality of channels, and the plurality of channels The heat absorbing medium supply source and the combustion chamber are in communication with each other, and the heat absorbing medium supply source is configured to inject the heat absorbing medium into the combustion chamber through a plurality of channels, and the heat absorbing medium has a plurality of Industrial gas generator configured to receive heat from the combustion chamber through the walls of the combustion chamber as it passes through the channels of the chamber, thereby evaporating the heat absorbing medium before being injected into the combustion chamber. .
し、これによって燃焼室壁を冷却するように構成されてなる請求項23に記載の
ガス発生機。24. The gas generator of claim 23, wherein the heat absorbing medium is configured to evaporate as it passes through the plurality of channels, thereby cooling the walls of the combustion chamber.
層されたものからなる請求項23に記載のガス発生機。25. The gas generator according to claim 23, wherein the combustion chamber wall is formed by laminating a plurality of plates having channels formed therein.
る燃焼室壁を提供することとを含んでおり、 該燃焼室壁が複数本のチャンネルを画しており、該複数本のチャンネルが上記
熱吸収媒体供給源と燃焼室とを連通させており、熱吸収媒体供給源が複数本のチ
ャンネルを通して熱吸収媒体を噴射するように構成されており、熱吸収媒体が、
複数本のチャンネルを通過するときに燃焼室から燃焼室壁を透して熱を受け取る
ようにされてなる産業用ガス発生方法。26. Providing a liquid phase heat absorbing medium source and providing a combustion chamber wall defining a combustion chamber, the combustion chamber wall defining a plurality of channels. The plurality of channels make the heat absorbing medium supply source and the combustion chamber communicate with each other, and the heat absorbing medium supply source is configured to inject the heat absorbing medium through the plurality of channels. Medium is
A method for producing industrial gas, which receives heat from a combustion chamber through a wall of the combustion chamber when passing through a plurality of channels.
熱吸収媒体を噴射する工程を含んでおり、熱吸収媒体が上記複数本のチャンネル
を通過するときに液相から気相に変化させられる産業用ガス発生方法。27. A step of injecting a liquid phase heat absorbing medium through a plurality of channels formed in a wall of a combustion chamber, the gas absorbing the liquid phase from the liquid phase when the heat absorbing medium passes through the plurality of channels. Industrial gas generation method that can be changed into phases.
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