循环活塞发动机动力系统技术方案

本发明专利技术所公开的是一种循环活塞发动机动力系统，其中，压燃式或火花点燃式往复活塞发动机通过半封闭式循环以生产可销售加压CO2产物的方式制成非排放式的。所述循环活塞发动机动力系统可包括，除其他元件外，用于产生动力和废气的活塞发动机；水冷却和分离单元，其接收废气并冷却并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给；混合压力容器，其从所述水冷却和分离单元接收所述CO2气体供给的至少一部分，并将所述CO2气体供给与氧混合以创建要提供到所述活塞发动机的工作流体；以及用于提供氧到所述混合压力容器的氧发生器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求在2012年8月30日提交的题为循环活塞发动机动力系统的美国临时专利申请序列号61/694,858的优先权，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
本专利技术整体涉及一种循环活塞发动机动力系统，并且更具体地涉及具有一体式氧发生、SC CO2(超临界二氧化碳)热回收和二氧化碳捕获及净化子系统的半封闭式循环活塞发动机动力系统。
技术介绍
常规的动力系统，无论是内部燃烧或外部燃烧，用空气燃烧燃料并且一般将燃烧产物(废气/烟道气)排放到空气(或经由水下接口排放到空气)。这对于天然气、汽油、柴油活塞发动机是事实，并且对于燃气涡轮机、喷气发动机或者甚至基于蒸汽锅炉的发电厂也是事实。虽然易于执行，未处理的烟道气到空气的排放由于环境原因是不期望的。诸如SO2(二氧化硫)、NOx(氮氧化物)、CO(一氧化碳)、HC(未燃碳氢化合物)以及最近的CO2(二氧化碳)的气体被定义为污染物并被管制。在特殊用途的应用中，特别是对于海底应用，将系统排气压力联系到环境压力(升高的背压)的需求可以显著降低发动机循环的效率。在其他特殊用途的应用中，特别是在更高海拔处，将系统压力联系到环境压力(降低的入口压力)的需求可以显著降低功率系数，并且还可影响效率。其结果是，存在成为非排放和/或具有较少的来自局部环境压力的不利影响的需求，并且在各种封闭式或半封闭式动力系统上的现有工作已经出现。从历史上看(在二十世纪的第一部分((in the first part of the 1900's))，这项工作主要涉及特殊用途的应用。最近，它主要是关于提供更高的效率和/或有效地控制排放或甚至捕获系统排放的能力，所述排放特别是CO2。开发封闭式和半封闭式动力系统的最强早期动机已被联系到在海底产生动力。在2,884,912号美国专利中公开了一种使用液氧操作活塞发动机，同时使用液体汽化热冷凝产物的简单方法。由于这是一种海底应用，没有产物净化或产生氧的任何讨论。在3,134,228号美国专利中公开了另一种明显在海底的使用涡轮的半封闭式动力系统。又一次，液氧(LOX)被带上作为氧化剂。冷凝水被泵入并用作燃烧稀释剂以控制温度，以同样的方式，水、氧和碳氢化合物被结合在“蒸汽鱼”(“steamfish”)鱼雷中，诸如US Mk 16(在二战后期引入)。在3,559,402号美国专利中公开了CO2的液化和储存。又一次，自带(onboard)液氧的汽化被用来提供制冷。重要地，没有作出在不同于正常大气的条件下操作发动机的任何努力。事实上，14psia(磅每平方英寸绝对压力)是用于CO2/O2流的再循环压力。在3,736,745号美国专利中，“超临界”封闭式循环涡轮系统被引入。此专利存在一些技术问题，但它的目的是在深处以及在CO2和水产物两者都作为液体一起凝结的足够高的背压下操作，而无需使用低温氧。在3,980,064号美国专利中，日产(Nissan)发动机提供了使用H2O2(双氧水)作为氧化剂的活塞发动机或旋转式活塞发动机专利的细节。这种系统包括废气再循环，但该专利主要是关于喷射器设计和燃烧多种燃料的能力。喷射器设计对于直接使用H2O2是至关重要的，因为分解可在循环中不期望的点上发生。在4,434,613号美国专利中，通用电气公司(General Electric Company)引入了用于包括CO2的“化学”产物生产的半封闭式循环燃气涡轮机(布雷顿循环(Brayton Cycle))。该专利显然不是用于海底应用，并且系统与低温空气分离单元的集成是包括在内的。系统不在高背压以及再循环废气(O2、CO2和这里未提及的其他废气)下操作。这种气体混合物的关键是模仿空气的热力学性质，使得现有的入口压力为14psia分子量为29(空气)的燃气涡轮机的设计也可以使用。也作为GE的典型，所使用的是热回收蒸汽发生器(Heat Recovery Steam Generator HRSG)，而不是回热器。然而，3,134,228号美国专利没有公开与产物气体净化相关联的任何细节或方法。在4,674,463号美国专利中，考斯沃斯发动机公司(Cosworth Engine company)重新引入了用于海底应用的半封闭式循环活塞发动机。改变氧浓度到低于21％的值的能力被用来限制在直接海水凝结过程中的氧损失。在唐恩布雷顿(Dunn Brayton)专利中，美国专利7,926,275、7,926,276、7,937,930、7,951,339和8,156,726引入了封闭式(金属燃料)和半封闭式(碳氢燃料)布雷顿(燃气涡轮机)循环。这些专利明确地不在大气压力下，而是在高的封闭式循环压力下(亚临界或超临界)。所讨论的是惰性气体工作流体、惰性气体工作流体与CO2混合物以及仅CO2。这些专利中的两个提出了气体净化方法，但它与气体产物无关，而是与从气体净化出任何金属蒸气(燃料)相关以避免在涡轮或回热器内部镀覆。由于这些专利是针对有高压瓶装氧或液氧的海底系统，未涉及氧产生。在美国专利8,205,455中，GE提供了有化学计量(基于空气)燃机和废气再循环的燃气涡轮机的一种复杂布置。在这个系统中，N2(氮)和CO2被再循环，并且刚刚够的高压空气被用来支持燃烧-过量空气的减少使得烟道气更容易净化用于其他应用。
技术实现思路
本专利技术的目的和优点将在下面的描述中阐述并变得明显。本专利技术的其他优点将通过在书面描述和权利要求书中以及从附图中特别指出的所述设备、系统和方法实现并获得。为了实现这些和其他优点并且根据本专利技术的目的，如所实施的，本专利技术在一个方面包括改进的活塞发动机半封闭式循环动力系统。本专利技术的另一方面在于所述系统是紧凑的，能够在高于环境排气压力下工作，并且在于发动机运行、热回收、氧产生和气体净化被以提高效率并降低资金成本的方式集成。预期的结果是在单独发动机的相同或更好的净循环效率(燃料消耗率)下产生无排放动力，并且还提供可销售(管道规范)的加压CO2。在发动机进气歧管中独立地控制过量氧的量以及氧与稀释剂比例的能力也是所需要的，并是所述设计的一部分；具体地，在比21％高得多的氧下操作的能力允许使用热值非常低的燃料或燃料水浆，同时仍在发动机中实现良好的燃烧。本专利技术针对一种循环活塞发动机动力系统，其包括，除其他外，活塞发动机、水分离和冷却单元、混合压力容器和氧发生器。活塞发动机产生动力和废气。水冷却和分离单元从活塞发动机接收废气并冷却，并且本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种循环活塞发动机动力系统，包括：i)用于产生动力和废气的活塞发动机；ii)水冷却和分离单元，其接收废气并冷却并且将水从废气中除去以创建CO2气体供给；iii)混合压力容器，其从所述水冷却和分离单元接收所述CO2气体供给的至少一部分，并将所述CO2气体供给与氧混合以创建要提供到所述活塞发动机的工作流体；和iv)用于提供氧到所述混合压力容器的氧发生器。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.30 US 61/694,8581.一种循环活塞发动机动力系统，包括：
i)用于产生动力和废气的活塞发动机；
ii)水冷却和分离单元，其接收废气并冷却并且将水从废气中除去以创
建CO2气体供给；
iii)混合压力容器，其从所述水冷却和分离单元接收所述CO2气体供给
的至少一部分，并将所述CO2气体供给与氧混合以创建要提供到所述活塞发
动机的工作流体；和
iv)用于提供氧到所述混合压力容器的氧发生器。
2.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括从所述混
合压力容器接收所述工作流体并将工作流体提供到所述活塞发动机的鼓风
机。
3.根据权利要求2所述的循环活塞发动机动力系统，还包括从所述鼓
风机接收所述工作流体并将其提供给所述活塞发动机的涡轮增压器。
4.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括热回收单
元以产生额外功率。
5.根据权利要求3所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述热回
收单元通过超临界布雷顿CO2循环产生所述额外功率。
6.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发
生器包括第一和第二变压吸附床或真空变压吸附床。
7.根据权利要求6所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发
生器经由所述吸附床与所述活塞发动机的机械集成产生氧。
8.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发
生器是基于一体式分子筛的空气分离单元。
9.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述氧发
生器是基于膜的空气分离单元或基于低温的空气分离单元。
10.根据权利要求1所述的循环活塞发动机动力系统，还包括气体净化
子系统，其从所述水冷却和分离单元接收CO2气体供给的一部分，并在所需
压力下提供调整好的CO2气体。
11.根据权利要求10所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述气

\t体净化子系统是包括至少两个变温吸附(TSA)床的变温吸附(TSA)系统。
12.根据权利要求10所述的循环活塞发动机动力系统，其中，所述气
体净化子系统是包括至少两个吸附床的变压吸附(PSA)系统或真空变压吸
附(VPSA)。
13.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：PM邓恩，
申请(专利权)人：提高能源集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US