專利名稱：利用氣動激光器、具有電能共生的天然氣生產(chǎn)的制作方法
技術(shù)領域：
本申請涉及天然氣的生產(chǎn)，并且更具體地，涉及用于使用氣動激光器生產(chǎn)天然氣的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
天然氣(另外稱為CH4)當前具有數(shù)種已知的來源，包括主要為該具體目的而鉆探的井，以及作為油井鉆探和采礦的副產(chǎn)品而出現(xiàn)。其他次要來源(例如垃圾埋填 (landfill))生成該有用的氣體。盡管存在豐富的供給，但是也存在著缺點，最明顯的缺點即這些供給來源并非總是位于最方便的地方，距利用所述燃料的地方通常有很遠的距離。另一缺點存在于氣體在被提取時并非總是純凈的形式，而是與硫及其他雜質(zhì)混合，導致用于將它們純化至足夠潔凈以使它們適于使用的能量和時間。盡管如此，在大多數(shù)情況下，在已經(jīng)被凈化后，氣體必須通過液化并且以大的儲存容器的方式來傳送或者通過經(jīng)由管道長距離傳送氣體而被遠距離運輸給使用者。盡管這不與其生產(chǎn)相關聯(lián)，但是當前氣體供應系統(tǒng)的另一缺點在于，在當今天然氣已經(jīng)成為跨國際政治邊界所發(fā)生爭端的目標，導致某些地區(qū)的短缺和過度的價格波動。 這些因素具有世界范圍的經(jīng)濟影響力。所需要的是用于高效地生產(chǎn)純凈形式的天然氣的系統(tǒng)和方法。此外，最近發(fā)現(xiàn)我們的工業(yè)時代的結(jié)果是我們地球大氣中增加的二氧化碳(CO2) 濃度。廣泛地相信，這些增加的CO2是全球氣候變遷的原因，導致諸多引起人類生命大量喪失的自然災害和氣象現(xiàn)象。ω2的持續(xù)產(chǎn)生以及由此造成其在地球大氣中增加的存在可能引起進一步的全球氣候劇烈變遷，導致人類生命進一步的喪失，并且如果不受控制的話，可能導致會使所有人類生命從該星球上滅絕的“失控溫室效應(runaway greenhouse effect)，，。隨著世界范圍對于電能穩(wěn)定增長的需求，由此增加被燃燒的化石燃料以及所排放 (emit)的CO2的量，已經(jīng)很顯然必須采取一些正確的措施來緩解這種情況。盡管將所有用電力工業(yè)設施(electric utility)轉(zhuǎn)為核能是完全不現(xiàn)實的，但是在本領域?qū)@樣的燃燒化石燃料的發(fā)電廠的出現(xiàn)存在需求，所述燃燒化石燃料的發(fā)電廠擁有以高效的方式遏止所有所得的排放物(emission)的能力。指定本申請人為發(fā)明人/共同發(fā)明人的美國專利No. 5，027，720、5，129，331和 5, 265, 424曾被開發(fā)以試圖解決一些上面描述的問題。然而，仍舊存在這樣的需要，即解決對化石燃料燃燒所產(chǎn)生的龐大數(shù)量的CO2的最終處理。還存在這樣的需要，即解決作為燃燒化石燃料的燃燒鍋爐(furnace boiler)的最終產(chǎn)物所產(chǎn)生的大量的C02。本發(fā)明特別適于以之前未知的方式克服本領域中存在的那些問題。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種用于使天然氣生產(chǎn)流水線化(streamline)和簡化的系統(tǒng)和方法。氣動激光器由例如二氧化碳的氣體提供動力，而該同樣的氣體被所述激光器的光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器(catalytic converter)轉(zhuǎn)化。其他氣體可以在所述激光光束加熱的其他催化轉(zhuǎn)化器中同時形成。生成的轉(zhuǎn)化氣體可以被用來生產(chǎn)燃料氣體。所述方法的剩余熱和/或副產(chǎn)物可以被用來生產(chǎn)電。在本發(fā)明的一個特定實施方案中，利用氣動激光器從化石燃料燃燒所產(chǎn)生的煙道氣體(flue gas)廢棄排放物的CO2組分生產(chǎn)天然氣。因此，從該特定實施方案生產(chǎn)的燃料氣體可以提供豐富的能量(即天然氣、電)來源，而同時減少排放到地球大氣中的CO2的量。在本發(fā)明的另一特定實施方案中，從空氣和燃料的混合物的燃燒來生產(chǎn)天然氣， 所述燃燒產(chǎn)物被用在氣動激光器中。在該特定實施方案中，廢棄的煙道氣體不被使用，因此在燃燒之前對氣體產(chǎn)物的調(diào)節(jié)不是必須的。在所附權(quán)利要求書中闡述了被視為本發(fā)明特點的其他特征。本發(fā)明的一種生產(chǎn)燃料氣體的方法，所述方法包括如下步驟提供激光器以建立激光光束；將第一氣體輸入到所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器區(qū)，以生成燃料氣體的第一組分；將第二氣體輸入到所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器區(qū)，以生成燃料氣體的第二組分； 將所述燃料氣體的所述第一組分與所述燃料氣體的所述第二組分混合，以生成所述燃料氣體。其中所述激光器是氣動激光器。其中所述第一氣體在進入所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)之前，流過所述激光器以建立所述激光光束。其中所述第一氣體是二氧化碳。其中所述第二氣體是蒸汽。其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括單個催化轉(zhuǎn)化器部件，所述單個催化轉(zhuǎn)化器部件接收所述第一氣體和所述第二氣體兩者。其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括多個所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器部件。其中至少一第一催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑碳，以及至少一第二催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑鐵，并且其中所述第一氣體是二氧化碳，以及所述第二氣體是蒸汽，從而所述方法生成燃料氣體甲烷。所述方法還包括通過處理空氣生成所述第一氣體的步驟。所述方法還包括將第三氣體與所述燃料氣體的一些混合，以及燃燒混合物來生成所述第一和第二氣體的步驟。所述方法還包括將所述第二氣體的一部分提供給透平機來生產(chǎn)電的步驟。其中所述氣動激光器的噴管使用氨來冷卻。其中所述氨是在所述方法期間產(chǎn)生的。本發(fā)明的一種生產(chǎn)燃料氣體的設備，包括用來建立激光光束的激光器；所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器區(qū)，所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)接收第一氣體，以生成燃料氣體的第一組分；所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)還接收第二氣體，以生成燃料氣體的第二組分；以及混合器，用來混合所述燃料氣體的所述第一組分與所述燃料氣體的所述第二組分，以生成所述燃料氣體。其中所述激光器是氣動激光器。其中所述第一氣體在進入所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)之前，流過所述激光器以建立所述激光光束。其中所述第一氣體是二氧化碳。其中第二氣體是蒸汽。其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括單個催化轉(zhuǎn)化器部件，所述單個催化轉(zhuǎn)化器部件接收所述第一氣體和所述第二氣體兩者，所述單個催化轉(zhuǎn)化器部件附加地為所述混合器的一部分。其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括多個所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器部件。其中至少一第一催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑碳，以及至少一第二催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑鐵，并且其中所述第一氣體是二氧化碳，以及所述第二氣體是蒸汽，從而所述設備生成燃料氣體甲烷。其中所述設備生成用來生產(chǎn)電的剩余蒸汽。本發(fā)明的一種生產(chǎn)燃料氣體的系統(tǒng)，包括空氣分離器，用來將空氣分離成氮氣和氧氣；燃燒室，用來將所述氧氣與燃料氣體混合，并且燃燒混合物來生成至少第一副產(chǎn)物和第二副產(chǎn)物；催化轉(zhuǎn)化器區(qū)，所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)接收所述第一副產(chǎn)物的至少部分，并且從所述第一副產(chǎn)物的所述至少部分生成第一燃料氣體組分；鍋爐，用來接收所述第二副產(chǎn)物并生成蒸汽；所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)附加地接收所述蒸汽的至少部分，并且從所述部分產(chǎn)生第二燃料氣體組分；產(chǎn)生激光光束的激光器，所述激光光束用于加熱所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)；以及混合器，用來混合所述第一燃料氣體組分與所述第二燃料氣體組分，以生成所述燃料氣體。其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括單個催化轉(zhuǎn)化器部件，所述單個催化轉(zhuǎn)化器部件接收所述第一氣體和所述第二氣體兩者。其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括多個所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器部件。所述系統(tǒng)還包括分束器，所述分束器用于將所述激光光束分成多個部分，每個部分精確對應于所述多個催化轉(zhuǎn)化器部件中的一個，以加熱所述多個催化轉(zhuǎn)化器部件。其中所述激光器是氣動激光器。其中所述第一副產(chǎn)品的至少部分在進入所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)之前，流過所述氣動激光器以建立所述激光光束。其中所述第一副產(chǎn)品是二氧化碳。其中所述蒸汽的至少部分被用于生產(chǎn)電。其中所述燃料氣體的至少部分被饋送回所述系統(tǒng)，以供在所述燃燒室中使用。其中所述氣動激光器的噴管使用氨來冷卻。其中所述氨是所述系統(tǒng)額外產(chǎn)生的。本發(fā)明的另一種生產(chǎn)燃料氣體的方法，所述方法包括如下步驟提供激光器以建立激光光束；將第一氣體輸入到所述激光光束加熱的第一催化轉(zhuǎn)化器，以生成燃料氣體的第一組分；將第二氣體輸入到第二被加熱的催化轉(zhuǎn)化器，以生成燃料氣體的第二組分；將所述燃料氣體的所述第一組分與所述燃料氣體的所述第二組分混合，以生成所述燃料氣體。
其中所述激光器是氣動激光器。其中所述第二催化轉(zhuǎn)化器附加地被所述激光器加熱。其中所述第二催化轉(zhuǎn)化器從所述激光器生成的余熱被加熱。盡管在本文中本發(fā)明被圖示和描述為在利用氣動激光器、具有電能共生的天然氣生產(chǎn)中實現(xiàn)，但是本發(fā)明并不打算被限制到所示出的細節(jié)，因為可以在其中作出各種修改和結(jié)構(gòu)改變，而不偏離本發(fā)明的精神，并且落入權(quán)利要求書等同物的范圍和范疇內(nèi)。然而，當結(jié)合附圖來閱讀下面對具體實施方案的描述時，將從所述描述最好地理解本發(fā)明的結(jié)構(gòu)連同本發(fā)明的額外的目標和優(yōu)點。


為了更完整地理解本發(fā)明的性質(zhì)，應當連同附圖參照下面的詳細描述，在附圖中圖1是煙道氣體生產(chǎn)系統(tǒng)、其互連的功能組件以及它們相對于使用本發(fā)明的系統(tǒng)的一個特定實施方案的位置的示意圖。圖2示出圖1的示意圖的一部分的放大視圖。圖3是包括單個激光器供能的轉(zhuǎn)化器部件的發(fā)明性系統(tǒng)的第二實施方案的部分切開視圖。圖4是使用本發(fā)明的系統(tǒng)的另一特定實施方案的示意圖。圖5示出使用本發(fā)明的系統(tǒng)的另一特定實施方案的放大簡化視圖。圖6是圖4的示意圖的另一部分的放大視圖，該部分包括用于氣動激光器的新穎的擴散器(diffuser)組件，所述氣動激光器還充當鍋爐過熱器。圖7是揭示典型的氣動激光器的工作組件的基本線路圖示意性圖示。圖8圖示本發(fā)明的另一替換性實施方案。圖9圖示本發(fā)明的再一替換性實施方案。在整個附圖的數(shù)個視圖中類似的參考號指代類似的部分。
具體實施例方式現(xiàn)在參照圖1，示出煙道氣體生產(chǎn)系統(tǒng)、其互連的功能組件以及它們相對于發(fā)明性系統(tǒng)的位置的示意圖。更具體地，煙道氣源10被示出為與本發(fā)明的一個特定實施方案結(jié)
I=I O應該理解，本發(fā)明與任何煙道氣源結(jié)合均可以工作。然而，出于解釋的目的，圖1 的煙道氣源10被描繪為包括爐11，在所述爐11中燃料與空氣混合并被燃燒。常規(guī)地，爐 11包括鍋爐過熱器12、蒸汽透平機(turbine) 13、中間透平機13’、次過熱器14、冷凝器15、 節(jié)約器(economizer) 16，以及空氣加熱器17。注意，假設燃燒鍋爐12中的燃燒是在化學計量條件下，從爐11出來的煙道氣體的大致溫度為355華氏度。出來的煙道氣體為N2, CO2, S2和O2的混合物。通過燃料/空氣混合物的燃燒產(chǎn)生的所得煙道氣體從煙道氣源10出來，并且被本發(fā)明的一個實施方案處理。更具體地，使得從煙道氣源10出來的煙道氣體進入旋風器 (cyclone) 18，該旋風器18從該煙道氣體中去除顆粒物質(zhì)。注意，旋風器18是可選的。例如，如果被燃燒的燃料不是煤，則可以省略旋風器18。接下來，在旋風器18的輸出處(或者，如果省略旋風器18，則在燃料氣源10的廢棄物出口處)，引流風扇(induction fan) 19將具有大致355華氏度溫度的燃料氣體抽出爐 11，并且迫使該氣體進入高溫熱交換器(heat exchanger) 21。在當前優(yōu)選的實施方案中，該高溫熱交換器21使用水作為交換介質(zhì)，以便將煙道氣體的溫度降低到大致175華氏度，而同時產(chǎn)生蒸汽。在高溫熱交換器21中產(chǎn)生的蒸汽被用于驅(qū)動溴化鋰冷卻器(chiller) 20， 該溴化鋰冷卻器20又產(chǎn)生四十度的水。注意，在本發(fā)明的一個特定實施方案中，冷卻器20 消耗發(fā)電廠輸出(power plant output, PP0)的.006%。一旦從高溫熱交換器21出來，煙道氣體前進到纖維性有機廢物過濾器27，在此大致175華氏度的煙道氣體調(diào)節(jié)有機廢物混合物，制備用于在生物氣生產(chǎn)單元30中消化的混合物。如果期望的話，可以使用泵觀通過過濾器27來再循環(huán)材料。生物氣生產(chǎn)單元30(另稱為甲烷消化器)產(chǎn)生甲烷氣體，所述甲烷氣體在燃料電池31中被提取和消耗，由此產(chǎn)生電。然而，注意可以使用其他利用該燃料的方法。在本發(fā)明的一個特定實施方案中，燃料電池電產(chǎn)量等于PPO的1. 1%，并且傾向于彌補操作本發(fā)明的煙道氣體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的損失。此外，生物氣生產(chǎn)單元30將用盡的纖維性有機廢物轉(zhuǎn)化為大量的表土(topsoil)。一旦離開有機廢物過濾器27，煙道氣體通過熱交換器四中的池水(pond water) 冷卻，以便去除包含在煙道氣體中的任何水(H2O)。該階段消耗PPO的0.觀％，并且從氣體去除100%的水加上10%的二氧化硫(SO2)。從氣體去除的、現(xiàn)在包含SO2的水被引導到硫回收單元沈，在此硫被去除。水被重新使用。當離開熱交換器四時，氣體的溫度大致為150華氏度。從熱交換器四出來的氣體現(xiàn)在進入低溫熱交換器22，在此所述氣體被冷卻到大致60華氏度。低溫熱交換器22使用在冷卻器20中產(chǎn)生的四十度的水作為交換介質(zhì)。緊接著從低溫熱交換器22出來后，氣體遭遇開放噴灑熱交換器23，所述開放噴灑熱交換器23使用池水作為交換介質(zhì)并且在該池水中去除了其余的二氧化硫。該載硫水 (sulfurladen water)被送到硫回收單元沈，在此硫被去除并且水返回到池中。如果如圖 1中所圖示的天然氣是被燃燒的燃料，則其余氣體混合物已經(jīng)是co/和隊’。在這樣的情況下，熱交換器23和硫去除組件沈可以被省略。如果爐中燃燒的燃料是煤，則其余氣體混合物由氮氣(N2)、氧氣(O2) ’和CO2，其中N2和O2之間的比率大致是3 1，其中N2占優(yōu)。氣體分離器25從熱交換器23接收冷卻的氣體混合物并且去除氮氣，隨后所述氮氣被儲存在容器50中以供出售或者其他用途。來自氣體分離器25、現(xiàn)在為顯著純凈形式的(X)2的其余氣體進入激光器供能的氣體轉(zhuǎn)化器40，在該氣體轉(zhuǎn)化器40中氣體被轉(zhuǎn)化為一氧化碳。現(xiàn)在參照圖2，示出圖1的氣體轉(zhuǎn)化器40的示意圖的放大視圖。更具體地，本實施方案的激光器供能的氣體轉(zhuǎn)化器40包括流動氣體或者“氣動”紅外激光器41以及至少第一催化轉(zhuǎn)化器42。最優(yōu)選地，如下面將描述的，氣體轉(zhuǎn)化器40使用多個催化轉(zhuǎn)化器。流動氣體紅外激光器41包括氣體入口 41a和氣體出口 41b。流經(jīng)激光器41的二氧化碳氣體從氣體出口 41b出來，并且被引導通過與第一催化轉(zhuǎn)化器42的入口連通的互連或流動路徑35。通過進入第一催化轉(zhuǎn)化器42，已使用的激光介質(zhì)也加入進入第一催化轉(zhuǎn)化器42的二氧化碳氣體主流。以這種方式，用作第一催化轉(zhuǎn)化器42中反應物的實際氣體的一部分首先被用作創(chuàng)建激光光束的介質(zhì)。進一步參照圖2，分束器41c將來自激光器41的激光光束分成多個分離的光束，因此允許激光器41適應多個催化轉(zhuǎn)化器42、43?？梢酝ㄟ^所述轉(zhuǎn)化器從引入到該設備的選擇氣體生成任何各種化學組分，取決于在催化轉(zhuǎn)化器42、43中使用何種催化劑。鑒于從燃料燃燒過程中可獲得的二氧化碳的量，可以創(chuàng)建極強大(powerful)激光光束。應該注意，取決于要處理的氣體的量，根據(jù)期望可以使用多個轉(zhuǎn)化器42、43。注意，除了當前為催化轉(zhuǎn)化提供能源的主要功能之外，預想有可能通過將光束分束來實現(xiàn)與激光器相關聯(lián)的其他不同任務。激光器41最優(yōu)選地被選擇為例如由聯(lián)合技術(shù)公司(United Technologies Inc.)制造的被稱為“氣動激光器”的類型。這樣的激光器目前被營銷為供工業(yè)使用。在操作期間，第一催化轉(zhuǎn)化器42通過使二氧化碳通過激光器加熱的催化劑碳之上而產(chǎn)生一氧化碳(CO)，化學式為C02+C = 2C0 (1)可以替換其他適當?shù)拇呋瘎?。此外，通過使蒸汽通過催化劑鐵(Fe)之上而在第二催化轉(zhuǎn)化器43中產(chǎn)生氫氣，該催化劑鐵是由激光器41所創(chuàng)建的強大激光光束(即以光束分束器41c所分出的一部分)加熱的，化學式為4H20+3Fe = Fe304+4H2 (2)這里再次地，可以替換其他適當?shù)拇呋瘎?。回頭參照圖1，在催化轉(zhuǎn)化器42、43中產(chǎn)生的氣體隨后被引入通過壓縮器44并且進入混合器45，在此，氣體以化學方式組合，結(jié)果產(chǎn)生烴類燃料產(chǎn)物?；旌掀?5可以包括或者是單獨的催化轉(zhuǎn)化器。反應物的產(chǎn)物隨后被儲存在容器55中，以用于在燃燒鍋爐中燃燒的目的。因為每一個催化轉(zhuǎn)化器42、43可以被構(gòu)造為具有多個入口連接點，所以可以采用以圖2的裝置制造烴類燃料產(chǎn)物的另一類似技術(shù)。該方法包括使蒸汽和二氧化碳兩者通過氣體轉(zhuǎn)化器40的單一轉(zhuǎn)化器部件的選擇催化劑，由此產(chǎn)生CCHH2，眾所周知的氣態(tài)燃料。此外，在前面的詳述中全部被提及的元素氫、碳、硫、氮和氧均能夠以種種方式以化學方式組合。因此，從這些元素的組合生成多種其他有用的產(chǎn)物是另一種不同的可能性。如從前面可以看到的，通過使用煙道氣體的成分作為流動氣體激光器41中的介質(zhì)并且作為激光器所輻照的催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的反應物，本發(fā)明的本實施方案使用二氧化碳來將其自身轉(zhuǎn)化為燃料。圖3是可以連同圖1的發(fā)明使用的氣體轉(zhuǎn)化器的另一個實施方案的部分切開視圖。更具體地，圖1和2的氣體轉(zhuǎn)化器40可以被(如圖3所示的)包括單個激光器供能的催化轉(zhuǎn)化器部件42的氣體轉(zhuǎn)化器替代。因此，如果期望的話可以省略光束分束器41c。此外，將僅需要一個壓縮器44，并且混合器45可以省略。這樣，如可以看到的，在圖1-3的實施方案中，二氧化碳激光器使用常規(guī)發(fā)電廠的調(diào)節(jié)的燃料氣體或者廢棄蒸汽來創(chuàng)建強大激光光束，當所述激光光束被分束而形成多個光束時，其一部分被用來輻照第一催化轉(zhuǎn)化器，轉(zhuǎn)化首先引導通過并且隨后從流動氣體激光器排放到第一催化轉(zhuǎn)化器中的C02。被該光束的另一分束部分輻照的單獨的轉(zhuǎn)化器被用來重整(reform)蒸汽?；瘜W組合裝置或者混合器混合新近生成的氣體，以糾正摩爾比 (proportional mole fraction)，由此生成有用的燃料產(chǎn)物。這樣，可以生產(chǎn)電，同時在燃料氣體散逸到大氣中之前消除燃料氣體。因為圖1-3中公開的系統(tǒng)可能要求龐大的裝置來將煙道氣體置于其可以被用在轉(zhuǎn)化過程中的條件下，因此可能期望這樣的轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，所述轉(zhuǎn)化系統(tǒng)不要求用于轉(zhuǎn)化煙道氣體的調(diào)節(jié)過程?，F(xiàn)在參照本申請的圖4，示出本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案。但是，圖4的實施方案被設計為消除了調(diào)節(jié)過程，因此著重于有用的氣態(tài)燃料產(chǎn)物的生產(chǎn)而不是電的生產(chǎn)。相反， 圖4的系統(tǒng)從廢棄氣體生產(chǎn)有用的氣態(tài)燃料產(chǎn)物，其中電的生產(chǎn)是消除廢棄產(chǎn)物的副產(chǎn)物結(jié)果。如本文下面將描述的，圖4的系統(tǒng)使用首先在燃燒器中形成的二氧化碳來實際將二氧化碳本身轉(zhuǎn)換為有用的燃料產(chǎn)物，僅使用所生成的燃料產(chǎn)物的小部分為所述燃燒器供燃料，而將剩余的燃料產(chǎn)物重新引導回到氣體管道架構(gòu)中。此外，在圖4的實施方案中，二氧化碳到有用燃料產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化是與在其形成期間生成廢熱同時(coincidental)實現(xiàn)的， 所述廢熱其后用來生成實質(zhì)(substantial)量的電能。令人驚奇的是，當圖4的新穎裝置位于氣體管道和電力網(wǎng)絡兩者彼此相對靠近的關鍵區(qū)域(strategic area)中時，該裝置具有在啟動后使氣體流量計逆轉(zhuǎn)并且過一段時間后實際再填充天然氣井的功能，所有這些的同時在向大氣排放很少或者不排放污染物的情況下向電網(wǎng)供能。更具體地參照圖4-6，示出根據(jù)本發(fā)明的本特定實施方案的基本的示意性燃料氣體轉(zhuǎn)化系統(tǒng)100。在系統(tǒng)100中，壓縮器112迫使(從空氣干燥器110接收的)空氣進入變壓吸附器(pressure swing adsorber) 120，其中從所述空氣中分離出氧氣。該空氣分離方法(也被稱為變壓吸附(PSA))是以與氧氣液化(即其他已知空氣分離技術(shù))相比顯著地少的能量實現(xiàn)的。使用PSA，一結(jié)晶沸石床被用來捕獲(trap)空氣的氮氣部分，但允許氧氣通過。 空氣的氮元素隨后被清除并且通過排出口 120a和120b排出(exhaust)，在排出口 120a和 120b它們可以被儲存在罐中或者被使用或銷售。所得的具有從90%到95%純凈度的氧氣隨后被引導到被維持在壓力下的容器121中。使用控制閥123和IM來維持燃燒室125中大致3 1的化學計量空氣燃料比率(大致90-95%純的氧氣大致5-10%的氬)。在燃燒室125中，氧氣與儲存在容器122中的燃料組分CH4混合，并且使用點燃部件129點燃。噴管126(包括液體入口 127和127a)將在燃燒室125中產(chǎn)生的所得排出氣體引導進入并且通過諧振器130、擴散器131，并且進入到蒸汽鍋爐(圖5和6的140)。本文中以最基本形式圖示的諧振器130 (也被稱為激光腔)還包括反射鏡132以及輸出耦合器和/ 或分束器133。在一個特別的優(yōu)選實施方案中，具有10. 6微米波長(即中紅外范圍)的激光光束156(或者156a和156b)在諧振器或激光腔130內(nèi)產(chǎn)生。如圖4和6中所示，蒸汽鍋爐140可以包括蒸汽過熱器146和鍋爐部件147。此外，如圖4和6的實施方案中所示， 蒸汽鍋爐140最優(yōu)選是位于噴管1 處，在激光諧振腔130之前。然而，應該理解，蒸汽鍋爐140可以如圖5中所示那樣位于諧振腔130之后，并且仍與本發(fā)明一致。如同圖1的實施方案，用在本實施方案中包括諧振器130的激光器是“氣動激光器”。氣動激光器與其他類型的氣體激光器的主要不同在于，氣動激光器從流經(jīng)的氣體的動力創(chuàng)建激光光束，因此消除了對常規(guī)電源的使用。現(xiàn)在參照圖7，示出典型的氣動激光器200的基本圖示。氣動激光器200包括噴管1 (具有液體入口 127和127a)、燃燒室125 (如上面描述的，其從容器121和122接收組分)、導向器157、諧振器130(包括反射鏡13 和擴散器131。激光器固有地鮮有超過 10%的效率，并且在這種情況下，低效率(inefficiency)是大量廢熱的結(jié)果。然而，回頭參照圖4-6，在本發(fā)明的本實施方案中，該廢熱將被用來共生(co-generate)燃燒鍋爐(圖5 的140)中用于生產(chǎn)電的蒸汽，所述燃燒鍋爐的組件是蒸汽過熱器(圖4的146)、鍋爐部件 (圖4的147)、包括冷卻裝置(圖4的148)的節(jié)約器或者噴管126、進給泵(圖4的143)、 冷卻塔(圖4的14 和蒸汽透平機(圖4的141)，其中所述冷卻裝置具有液體入口和液體出口 (分別為圖4的128和128a)。如上面陳述的，在本優(yōu)選實施方案中，圖4的節(jié)約器或者噴管1 可以可選地包括冷卻裝置148，所述冷卻裝置包括液體入口 1 和液體出口 U8a。通常，如圖7中所示，本文所使用類型的氣動激光器包括如所示出并且為葉片型的(foil shaped)導向器157。在本發(fā)明的一個特定實施方案中，如圖6中更具體地示出的，冷卻裝置148包括導向器157’， 并且提供通過其的液道(liquid pathway) 0因為空氣正被分離并且產(chǎn)生氫氣，所以還可以容易地在本發(fā)明的系統(tǒng)中生成氨(NH3)。這樣的氨可以被用來通過循環(huán)經(jīng)過通過冷卻裝置 148的導向器(圖6的157’ )的液道來冷卻噴管126，由此幫助冷卻通過噴管126的氣體。 例如，作為該過程的副產(chǎn)物生成的氨可以通過液體入口 1 被導引到冷卻裝置148，并且通過液體出口 128a去除。如果期望的話，作為該系統(tǒng)中副產(chǎn)物生成的氨還可以被用來冷卻激光諧振器130的光學器件。這樣，更具體地參照圖4和6，冷卻裝置148被用來“冰封(freeze in) ”所激發(fā)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。例如，在一個優(yōu)選實施方案中，噴管126將壓力降低到50托(torr)，并且將速度增加到a+馬赫數(shù)。然而，在激光上能級001中，CO2存在的膨脹和減少保持。其他分子下降到001能級。其余能態(tài)由于在噴管126中使用冷卻裝置148急速冷卻氣體而數(shù)量減少， 由此實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。擴散器131被構(gòu)造為針對雙重目的而起作用。首先，擴散器131將起到氣動激光器的擴散器的作用，其幫助腔內(nèi)光譜線的形成。通常，在氣動激光器中，擴散器被用來將超音速流動減低到亞音速速度。然而，對本發(fā)明獨特的是，擴散器131額外地被構(gòu)造為起到用于蒸汽鍋爐(圖5和6的140)的過熱器的作用。從鍋爐區(qū)域140流出的排出氣通過引流風扇151經(jīng)過通道144輸送到催化轉(zhuǎn)化器150。盡管在圖4和5中表示為單個部件，但是在實踐中，每一個催化轉(zhuǎn)化器150、150a 優(yōu)選地將包括多個催化轉(zhuǎn)化器，在所述多個催化轉(zhuǎn)化器中其他氣體可以被催化轉(zhuǎn)化(例如用于生產(chǎn)氫氣Ol2)的蒸汽)。以前，通過使蒸汽通過熱的鐵(Fe)之上來生成氫氣的方法 (也被稱為重整蒸汽)曾是以低效的方式進行的。然而，在本發(fā)明的本實施方案中，該方法變得極為高效，其中生成豐富量的H2。圖4的控制閥145被提供來允許這樣的蒸汽進入催化轉(zhuǎn)化器150a，用于生產(chǎn)氫氣(H2)的目的。當生成氫氣時，存在于催化轉(zhuǎn)化器150a中的介質(zhì)可以被選擇為狗元素，優(yōu)選地為海棉鐵(iron sponge)的形式。這樣，當被加熱時的反應為以上面描述的方式進行的H2CHFe =>Fe304+H2連同式(2)。
大量的蒸汽以放出蒸汽(blow off steam)的形式從鍋爐140可獲得。應該理解， 這些催化轉(zhuǎn)化器中的數(shù)個可以被用來轉(zhuǎn)換很多不同的元素，所有催化轉(zhuǎn)化器均正被分束器和/或輸出耦合器133分束的分束光束156a和156b輻照。在催化轉(zhuǎn)化器150內(nèi)，氣體流經(jīng)被激光諧振器130中創(chuàng)建的光束(圖4和5的 156a)輻照的介質(zhì)(例如碳)，由此氣體(X)2被轉(zhuǎn)化為CO。激光諧振器130的焦距可以長達 400英尺。這樣，催化轉(zhuǎn)化器150(以及圖4和5的150a)可以并且優(yōu)選地被設置為距激光諧振器130 —距離。從而，可以在激光諧振器130的輸出與催化轉(zhuǎn)化器150和150a之間提供保護套(protective collar)或保護腔來包圍激光光束156，并且防止人或物體進入激光諧振器130的輸出與催化轉(zhuǎn)化器150和150a之間的光束156光路。引流風扇151還將來自催化轉(zhuǎn)化器150的轉(zhuǎn)化CO以及來自催化轉(zhuǎn)化器150a的吐抽到混合器155，在此它們以化學方式組合，結(jié)果產(chǎn)生烴類燃料產(chǎn)物?；旌掀?55可以包括或者作為單獨的催化轉(zhuǎn)化器。所得的燃料氣體產(chǎn)物(在當前描述的實施方案中為CH4)被還充當氣體壓縮器的引流風扇151輸送到導管或者出口 159，在此某個百分比的所得燃料氣體可以被分出以供在燃燒室125中使用，而其余的則被吸出(siphoned off)以供在外部使用。例如，在本發(fā)明一個特別優(yōu)選的實施方案中，所得燃料氣體的大致1/4部分被引導到儲存容器122以供用作燃燒室125中的燃料，并且其余的3/4部分傳出導管159作為副產(chǎn)物。在本發(fā)明一個特定優(yōu)選實施方案中，導管159互連到存在于全國管道結(jié)構(gòu)中的天然氣干線。一種替代的連接將是連接到大的氣體儲存設備。鑒于前述，可以看到氣動激光器可以被用來生產(chǎn)燃料產(chǎn)物，所述燃料產(chǎn)物的某個百分比被饋送回系統(tǒng)以給燃燒器供燃料，而可以使大部分流出供用作燃料。此外，如上面所討論的，通過本發(fā)明的操作所產(chǎn)生的剩余廢熱可以被用來從本發(fā)明性系統(tǒng)和方法的廢棄蒸汽副產(chǎn)物生成大量的電。例如，在圖4的系統(tǒng)中生成燃料氣體的過程所產(chǎn)生的廢棄蒸汽可以(經(jīng)由導管，未示出)被提供給電廠并用來轉(zhuǎn)動透平機(圖4-6和8的141)，以便發(fā)電。現(xiàn)在參照圖8，提供了系統(tǒng)100’的部分基本圖，示出本發(fā)明系統(tǒng)的組件的另一種可能設置，該設置將提供上面所描述的期望的結(jié)果。更具體地，在系統(tǒng)100’中，催化轉(zhuǎn)化器 150’，而不是連同圖4示出的單獨的催化轉(zhuǎn)化器150、150a，被用來處理CO和H2兩者。此外， 催化轉(zhuǎn)化器150’將充當“混合器”，因此以化學方式混合所得的催化的氣體(即CO和H2)。 這樣，如圖8所示，廢棄蒸汽經(jīng)由催化轉(zhuǎn)化器150’入口處的控制閥145被提供到通道144。 如從圖8看到的，所得的燃料產(chǎn)物部分分流到容器122以供在燃燒室125中使用，并且部分分流到引導到管道或者燃料儲存罐(例如圖4的122)的外部出口?，F(xiàn)在參照圖9，示出本發(fā)明的另一可能的實施方案。圖9的實施方案在多數(shù)方面類似于連同圖4所描述的本發(fā)明的實施方案。但是，在本實施方案中，蒸汽鍋爐147’是由激光光束部分156b加熱的，而不是如圖4中所示具有由激光光束部分156b加熱的第二催化轉(zhuǎn)化器150a。從蒸汽鍋爐147’輸出的蒸汽可以被用來驅(qū)動蒸汽透平機141，所述蒸汽透平機141又生成可以輸出并使用和/或儲存的電。此外，如圖9所示，替代噴管126中的蒸汽鍋爐147，在噴管126’中提供包括鐵作為催化劑的第二催化轉(zhuǎn)化器150a’。這樣，氣動激光器噴管26’的燃燒器部分中氣體燃燒所生成的剩余熱被用來加熱催化轉(zhuǎn)化器150’中的鐵。蒸汽鍋爐147a中的過熱水以激光光束156b產(chǎn)生的蒸汽經(jīng)由控制閥145提供給催化轉(zhuǎn)化器150a’。如之前所描述的實施方案的情況，催化轉(zhuǎn)化器150可以包含碳，當其在(X)2存在下被激光光束156a加熱時輸出CO。類似地，當蒸汽提供到被噴管126中產(chǎn)生的剩余熱加熱的催化轉(zhuǎn)化器150a’時，蒸汽與鐵催化劑反應以產(chǎn)生氫氣(H2)。來自催化轉(zhuǎn)化器150的CO和來自催化轉(zhuǎn)化器150a’的H2被提供到混合器155，如前面描述的，該混合器155可以為另一催化轉(zhuǎn)化器。如圖9中可以看到的， 從催化轉(zhuǎn)化器150a’的輸出到混合器155的輸入提供出口或?qū)Ч?52，從而在催化轉(zhuǎn)化器 150a’中生成的氫氣可以被提供到混合器155。注意，盡管催化轉(zhuǎn)化器150a’被示為在噴管126’中，而催化轉(zhuǎn)化器150是由激光光束150a加熱的，但是可以看到本發(fā)明還打算覆蓋相反情況。例如，可以在噴管126’中提供包含碳的催化轉(zhuǎn)化器150，而包含鐵的催化轉(zhuǎn)化器150a’可以由激光器加熱。提供本公開來允許本領域技術(shù)人員在關于此所授權(quán)的任何專利過期后無需超出常規(guī)的試驗而實施本發(fā)明，并且本公開包括當前預期的最佳方式和當前優(yōu)選的實施方案。 該公開中沒有內(nèi)容應該被視為限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明允許大量替換、等同和替代，而不會偏離本發(fā)明的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)燃料氣體的方法，所述方法包括如下步驟 提供氣動激光器以建立激光光束；將第一氣體輸入到所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器區(qū)，以生成燃料氣體的第一組分， 所述第一氣體在進入所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)之前，流過所述氣動激光器以建立所述激光光束； 將第二氣體輸入到所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器區(qū)，以生成燃料氣體的第二組分；以及將所述燃料氣體的所述第一組分與所述燃料氣體的所述第二組分混合，以生成所述燃料氣體。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第一氣體是二氧化碳。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述第二氣體是蒸汽。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括單個催化轉(zhuǎn)化器部件，所述單個催化轉(zhuǎn)化器部件接收所述第一氣體和所述第二氣體兩者。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括多個所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器部件。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中至少一第一催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑碳，以及至少一第二催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑鐵，并且其中所述第一氣體是二氧化碳，以及所述第二氣體是蒸汽，從而所述方法生成燃料氣體甲烷。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過處理空氣生成所述第一氣體的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將第三氣體與所述燃料氣體的一些混合，以及燃燒混合物來生成所述第一和第二氣體的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括將所述第二氣體的一部分提供給透平機來生產(chǎn)電的步驟。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述氣動激光器的噴管使用氨來冷卻。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述氨是在所述方法期間產(chǎn)生的。
12.—種生產(chǎn)燃料氣體的設備，包括 用來建立激光光束的氣動激光器；所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器區(qū)，所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)接收第一氣體，以生成燃料氣體的第一組分；所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)還接收第二氣體，以生成燃料氣體的第二組分；混合器，用來混合所述燃料氣體的所述第一組分與所述燃料氣體的所述第二組分，以生成所述燃料氣體；以及所述第一氣體在進入所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)之前，流過所述氣動激光器以建立所述激光光束ο
13.如權(quán)利要求12所述的設備，其中所述第一氣體是二氧化碳。
14.如權(quán)利要求12所述的設備，其中第二氣體是蒸汽。
15.如權(quán)利要求12所述的設備，其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括單個催化轉(zhuǎn)化器部件，所述單個催化轉(zhuǎn)化器部件接收所述第一氣體和所述第二氣體兩者，所述單個催化轉(zhuǎn)化器部件附加地為所述混合器的一部分。
16.如權(quán)利要求12所述的設備，其中所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)包括多個所述激光光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器部件。
17.如權(quán)利要求16所述的設備，其中至少一第一催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑碳，以及至少一第二催化轉(zhuǎn)化器部件包括催化劑鐵，并且其中所述第一氣體是二氧化碳，以及所述第二氣體是蒸汽，從而所述設備生成燃料氣體甲烷。
18.如權(quán)利要求14所述的設備，其中所述設備生成用來生產(chǎn)電的剩余蒸汽。
19.一種生產(chǎn)燃料氣體的方法，所述方法包括如下步驟提供氣動激光器以建立激光光束；將第一氣體輸入到所述激光光束加熱的第一催化轉(zhuǎn)化器，以生成燃料氣體的第一組分，所述第一氣體在進入所述催化轉(zhuǎn)化器區(qū)之前，流過所述氣動激光器以建立所述激光光束；將第二氣體輸入到第二被加熱的催化轉(zhuǎn)化器，以生成燃料氣體的第二組分；將所述燃料氣體的所述第一組分與所述燃料氣體的所述第二組分混合，以生成所述燃料氣體。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第二催化轉(zhuǎn)化器附加地被所述激光器加熱。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述第二催化轉(zhuǎn)化器從所述激光器生成的余熱被加熱。
全文摘要
本文提供生產(chǎn)天然氣的系統(tǒng)和方法。氣動激光器由例如二氧化碳的氣體提供動力，而該同樣的氣體被所述激光器的光束加熱的催化轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化。其他氣體可以在所述激光光束加熱的其他催化轉(zhuǎn)化器中同時形成。生成的轉(zhuǎn)化氣體可以被用來生產(chǎn)燃料氣體。所述方法的剩余熱和/或副產(chǎn)物可以被用來生產(chǎn)電。
文檔編號F01N3/10GK102559311SQ201110412980
公開日2012年7月11日 申請日期2008年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月17日
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