[发明专利]产生机械能的方法和设备

说明书

本发明涉及一个产生机械能的方法，属于权利要求1前序部分的技术领域，还涉及一个实施该方法的装置。

在大多数热电厂中，为产生电能，首先在锅炉设备中燃烧天然化石（古生）的燃料产生过热的蒸汽，而蒸汽在蒸汽涡轮中膨胀同时转化成机械能。蒸汽涡轮是与发电机相连接好的，这样，机械能就能转变成电能。而后者涡轮带动发电机的效率可以明显地高于90%。与此相反，使用的燃料就化学性质而言，能量转化成机械能的效率实际上是不够高的，因为涡轮效率本身在大功率情况下最高也只有37%，还有在加热锅炉中也必定损失。而且至今在许多情况下，通过燃烧生成的热量大约只有35%可有效地用于产生电能，同时，大约65%的热能作为废气丢失或者只可以作为纯粹热能来加以利用。

在近代，人们采用如下措施，使总的效率得到一个明显的提高，即人们将热能转换成机械能时使用一种燃气涡轮和蒸汽涡轮的组合方案，同时，高温时燃汽首先在燃汽涡轮上膨胀作功，而将这燃气涡轮的排气（废气）作为供给蒸汽涡轮所需要的蒸汽。另外的改进方案是，人们将蒸汽涡轮排出的压力较低的蒸汽再送回连接在燃汽涡轮前边的燃烧室中，这样就可产生一个更大的推动燃汽涡轮的体积流。这些措施就可实现热能转化成机械能的总效率，在较大设备时（大于50MW兆瓦）提高至一个较高的级别：大约从48%至50%。

这样一种组合式燃汽/蒸汽运行生产过程在DE3331155A₁中就是一例。为生产必需的用于燃气涡轮时热（高温）燃气，一般使用流动的燃料，也就是说，液体的或者气体的碳氢化合物。为了尽量避免产生氮氧化合物，就通过往燃烧室中导入一部分用燃气涡轮废气热产生的蒸汽而燃烧室温度降低，在总功率为300MW（兆瓦）的情况下，应用这样的生产过程，可达到的效率为48%。

在杂志VGB（火力发电技术）68期（N₁5，1988年5.页数：461～468），也描述了一种组合式燃气/蒸汽涡轮运行过程，其中与碳气化（俗称焦化煤气）工作相关。在碳气化工序中产生的可燃气体，在经过净化以后，其一部分和压缩加压的空气在第一燃烧室中燃烧。同时，所产生的高温燃气首先被用于过加热水蒸汽以便于煤气化以及煤（碳）气化本身的加热，然后在第一燃气涡轮上膨胀作功，该涡轮本身要驱动一个压缩机加压必要的燃烧用的空气。在碳气化中产生的可燃气体之另一部分则在第二燃烧室中燃烧，此后直接在第二燃气涡轮上膨胀作功，这个涡轮与另一个加压第二燃烧室中必需的燃烧用空气的压缩机机械方式相连接，还与一个产生电能的发电机机械方式连接。第二燃气涡轮膨胀作功后的废气在排入大气以前，和第一燃气涡轮（压气机驱动涡轮）的膨胀后的废气一起还被用于水蒸汽的生产。这些蒸汽在一个蒸汽涡轮上膨胀作功，该蒸汽涡轮同样与一个产生电能的发电机相连接。一部分蒸汽从蒸汽涡轮部分膨胀作功以后就被分流接出，然后通过第一燃烧室的燃气按照已经提及的过加热以后用于碳气化过程。

在这种公知的设备中使用煤作为原始燃料，它首先被加工得可以用于燃气涡轮的运行，即在先要被气化。这种转换就技术观点而言是必须进行的，因为，在燃烧过程中产生的灰尘部分对燃气涡轮是有损坏的。与此相反，对于碳氢化合物基的燃料，有液体和气体的，都不含有灰尘部分，因此，毫无疑问可直接用于一个联合的燃气/蒸汽运行过程。这种公知设备的一个特点是燃气首先被分成两个完全独立的支流，以用于不同的生产工序，然后，它们（分支流）在该方法的末端一起用于蒸汽的产生。这种设备的有用效率（纯净）大约可达42%，同时，为生产运行所需的内部能耗约为7.5%。

另外一个用燃气/蒸汽涡轮产生电能的组合运行方案在US4478039中公开，其中，首先进行碳（煤）的气化工序。在那里产生的气体（煤气）以高压输入到一个燃烧室中燃烧。所生成的高温燃气然后在一个燃气涡轮上膨胀作功，这个涡轮驱动一个发电机和一个用于压缩燃烧用空气的压缩机。这降压后的涡轮废气另外还可用来加热煤的气化装置和产生蒸汽用于蒸汽涡轮工序。同样，蒸汽涡轮驱动一个发电机。而关于碳氢化合物基的燃料的利用问题，在这份资料中没有任何说明。

此外，从DE3740865A₁中也公开了一种制备氢的方法和装置。其中将一种气态的原始燃料，也即一种碳氢化合物进行蒸汽改良成一种高浓度氢的气体，其具有比原始燃料流量提高了的绝对热值。