專利名稱：用于氫電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及用于氫電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)和方法。更具體地說，本發(fā)明涉及利用富集-燃燒-驟冷-轉(zhuǎn)化設(shè)備生產(chǎn)富含氫的燃料氣，并將該富含氫的燃料氣用于氫電聯(lián)產(chǎn)。
已知燃料氣在某些情況下是燃?xì)廨啓C的一種合適燃料來源。典型地，這類燃料氣是利用催化燃燒法在約400℃～約800℃的溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生的。有利地，這些溫度足夠低以使氮氧化物的形成最少。但這些低的溫度和壓力不足以為渦輪機提供動力，因此必須用輔助燃燒室為渦輪機提供動力。在某些催化燃燒法中，將原料氣和空氣預(yù)混以形成一種混合物，該混合物在包含也表現(xiàn)出蒸汽轉(zhuǎn)化活性的燃燒催化劑的燃燒區(qū)內(nèi)燃燒。在燃燒區(qū)內(nèi)發(fā)生混合物的部分燃燒和轉(zhuǎn)化，從而形成熱的轉(zhuǎn)化氣流。該熱轉(zhuǎn)化氣流的一部分再循環(huán)回到前述燃燒區(qū)中。余下的熱轉(zhuǎn)化氣流作為燃料氣輸送給燃?xì)廨啓C燃燒室。在其它方法中，燃料氣燃燒，與燃燒醇類和醛類的輔助燃燒室結(jié)合使用。
上述涉及用燃?xì)廨啓C發(fā)電的方法并沒有教導(dǎo)能夠用非催化方法形成轉(zhuǎn)化氣(即燃料氣或合成氣)。而且，燃?xì)廨啓C系統(tǒng)沒有給出對電的需求、轉(zhuǎn)化氣的形成、和增強效率的操作考慮之間的相互作用。通常，當(dāng)系統(tǒng)位于穩(wěn)定狀態(tài)時，系統(tǒng)幾乎總是在較高的效率下操作。所需的是用于產(chǎn)生在渦輪機燃燒室內(nèi)燃燒的轉(zhuǎn)化氣的方法，其中不要求催化燃燒的工藝。此外，所需的是一種適于適應(yīng)電需求波動、且同時使該工藝能夠在基本穩(wěn)定狀態(tài)下操作的方法。
鑒于顯現(xiàn)的氫氣經(jīng)濟性，在發(fā)電的同時產(chǎn)生氫對工業(yè)是有利的。通過催化轉(zhuǎn)化而從燃料產(chǎn)生氫是一種公知的方法。所需的是一種用于生產(chǎn)氫的方法，其中制氫工藝從效果上說是發(fā)電的副產(chǎn)品，其中電氫的聯(lián)產(chǎn)降低了二者的生產(chǎn)成本，并導(dǎo)致了系統(tǒng)效率和操作性的增加。
發(fā)明概述此處所公開的是一種用于電氫聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)，包括至少一個主燃燒系統(tǒng)，用于燃燒富含燃料的混合物并產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物。該系統(tǒng)進一步包括至少一個噴射系統(tǒng)，用于將燃料和蒸汽噴入所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，從而產(chǎn)生混合產(chǎn)品流。該混合產(chǎn)品流在轉(zhuǎn)化器中進行轉(zhuǎn)化，以產(chǎn)生濃縮氫流。該濃縮氫流的至少一部分在次級燃燒系統(tǒng)中燃燒以產(chǎn)生電，該濃縮氫流的至少第二部分被送入氫氣處理系統(tǒng)，以在那里產(chǎn)生氫氣。
另一方面，一種用于電氫聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)，包括多個重復(fù)單元，每個單元包括一個主燃燒系統(tǒng)，用于燃燒富含燃料的混合物并產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物；一個噴射系統(tǒng)，用于將燃料和蒸汽噴入所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，從而形成混合物產(chǎn)品流；和一個轉(zhuǎn)化器，用于轉(zhuǎn)化所述混合物產(chǎn)品流以產(chǎn)生濃縮氫流。該系統(tǒng)進一步包括一個次級燃燒系統(tǒng)，用于燃燒濃縮氫流的至少一部分以產(chǎn)生電；和一個氫氣處理系統(tǒng)，用于接收濃縮氫流的至少第二部分以從中產(chǎn)生氫氣。來自一個重復(fù)單元的轉(zhuǎn)化器的濃縮氫流被送入下一個重復(fù)單元的燃燒系統(tǒng)中。
另一方面，一種電氫聯(lián)產(chǎn)的方法，包括如下步驟燃燒富含燃料的混合物，從而產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物。將燃料和蒸汽噴入所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，以產(chǎn)生混合產(chǎn)品流。該方法進一步包括轉(zhuǎn)化混合產(chǎn)品流，以產(chǎn)生濃縮氫流。接下來的步驟包括燃燒濃縮氫流的至少一部分以產(chǎn)生電，和處理濃縮氫流的至少第二部分以從中產(chǎn)生氫氣。


參考隨后的附圖并閱讀下面的詳細(xì)描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些及其它的特征、方面及優(yōu)點，在附圖中用同樣的附圖標(biāo)記表示附圖中同樣的部分，其中圖1示出用于氫電聯(lián)產(chǎn)的一個示例性系統(tǒng)的流程圖。
圖2示出用于氫電聯(lián)產(chǎn)的另一個示例性系統(tǒng)的流程圖。
圖3是用于形成濃縮氫流的c-q-r階段的示意圖，其中c-q-r階段包括燃燒、驟冷和轉(zhuǎn)化步驟；和圖4是如圖3所示c-q-r階段的重復(fù)步驟的示意圖。
發(fā)明詳述為了促進對本發(fā)明的理解，現(xiàn)在參考如圖1～4所示的本發(fā)明的某些示例性實施方式，及用于描述該實施方式的具體語言。此處所用術(shù)語旨在描述，而非限制。此處所公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不可解釋為限制，其僅作為權(quán)利要求書的基礎(chǔ)，作為一個代表性的基礎(chǔ)以教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員多樣地利用本發(fā)明。所述支持結(jié)構(gòu)和方法中的任何改型或變化，以及諸如本領(lǐng)域技術(shù)人員通常想到的對此處所述發(fā)明原理的進一步應(yīng)用，都將被認(rèn)為落入本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。
圖1示出用于電氫聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)10的一個示例性實施方式。該聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)10包括用于燃燒富燃料混合物的至少一個主燃燒系統(tǒng)14，和用于轉(zhuǎn)化燃料的至少一個轉(zhuǎn)化器16。氧化劑18和燃料20的混合物被噴入用于燃燒富燃料混合物并產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物的主燃燒系統(tǒng)14中。該聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進一步包括一個噴射系統(tǒng)，該系統(tǒng)中蒸汽22和燃料24被噴入部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，以在驟冷操作中形成混合產(chǎn)品流12。該混合產(chǎn)品流12被送入一個用于轉(zhuǎn)化混合產(chǎn)品流12以產(chǎn)生濃縮氫流26的轉(zhuǎn)化器中。在某些實施方式中，主燃燒室14和轉(zhuǎn)化器16位于在一個共同的燃燒室16中。
該濃縮氫流的一部分30在次級燃燒系統(tǒng)38內(nèi)燃燒，以產(chǎn)生可連接到電網(wǎng)44的電力。向次級燃燒系統(tǒng)38中加入補充燃料34和氧化劑36。該濃縮氫流的第二部分32被送入氫氣處理單元40中以產(chǎn)生氫氣。
如圖1所示，聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)10聯(lián)合生產(chǎn)了電和氫，同時具有較目前可行的更低的氮氧化物(NOX)污染物產(chǎn)量、更高的火焰穩(wěn)定性、和更少的一氧化碳排放。此處的火焰溫度是當(dāng)量比的函數(shù)，該當(dāng)量比是由化學(xué)計量的燃料與氧化劑比率規(guī)格化的主燃燒系統(tǒng)14中燃料與氧化劑比率的量度。當(dāng)量比為1.0時，達(dá)到化學(xué)計量條件，火焰溫度在該點處最高。當(dāng)量比小于1.0時，燃燒室為“貧”燃燒室；當(dāng)量比大于1.0時，燃燒室為“富”燃燒室。當(dāng)達(dá)到化學(xué)計量的火焰溫度時，NOX的生產(chǎn)非?？焖俚卦黾?；當(dāng)遠(yuǎn)離化學(xué)計量的火焰溫度時，熱NOX的生產(chǎn)快速減少。
再次參考圖1，燃燒室16包括用于富燃料燃燒的一個主燃燒系統(tǒng)14，和轉(zhuǎn)化來自主燃燒系統(tǒng)14的部分氧化燃燒產(chǎn)物的一個轉(zhuǎn)化器16。燃料20(可為氣體)和氧化劑18被預(yù)混并噴入主燃燒系統(tǒng)14中。在某些實施方式中，燃料和氧化劑可分別噴入主燃燒系統(tǒng)14中。在某些其它實施方式中，燃料和氧化劑可在被送入主燃燒系統(tǒng)14之前部分地或充分地混合。燃料20可包括任何適當(dāng)氣體或液體，例如天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生的燃料、生物燃料、氧化烴原料、以及它們的混合物。在某些實施方式中，燃料優(yōu)選包括天然氣(NG)。天然氣的可用性、低成本和易于混合彌補了它的低熱含量，使得天然氣成為優(yōu)選的燃燒燃料。氧化劑18可包括任何適當(dāng)?shù)暮鯕怏w，例如空氣、富氧空氣、貧氧空氣、和/或純氧。在富燃燒階段，當(dāng)量比大于1，優(yōu)選地更接近富火焰一穩(wěn)定極限。在某些實施方式中，預(yù)混的燃料和氧化劑通過一個含有旋流器的噴嘴而噴入主燃燒系統(tǒng)14中，該旋流器包括使進入的氧化劑旋轉(zhuǎn)的多個旋轉(zhuǎn)葉片，以及使燃料分布到旋轉(zhuǎn)氧化劑流中的多個燃料輪輻。在主燃燒系統(tǒng)14內(nèi)進行反應(yīng)之前，燃料和氧化劑在預(yù)混燃料噴嘴內(nèi)的環(huán)形通道中進行混合。在富燃燒操作之后，用一個噴射系統(tǒng)在驟冷步驟中進行燃料24和蒸汽22的噴射。在某些實施方式中，燃料和蒸汽被噴入離開主燃燒系統(tǒng)14的混合產(chǎn)品流12中。在驟冷步驟中噴入的燃料24還可通過位于燃燒室46內(nèi)壁上的一系列狹縫而噴入燃燒室46中。燃料24可包括低沸點烴原料、天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、和/或它們的混合物。在某些實施方式中，優(yōu)選的燃料是大部分為甲烷的天然氣。燃料和蒸汽的摩爾比優(yōu)選為約1∶1，從而產(chǎn)生被稱為混合產(chǎn)品流的熱氣流。該混合產(chǎn)品流被送入轉(zhuǎn)化器16中，以產(chǎn)生包括大量氫氣的濃縮氫流26。在某些實施方式中，該濃縮氫流26可進一步包括一氧化碳、氮氣、平衡常數(shù)量的水、二氧化碳和未燃燒的燃料。該濃縮氫流26能夠進一步分流至次級燃燒系統(tǒng)38和/或氫氣處理單元40。在某些實施方式中，用物流調(diào)節(jié)器28將富含氫氣流26的特定量分流到次級燃燒系統(tǒng)38、和/或氫氣處理單元40。該物流調(diào)節(jié)器可為控制閥，或能夠?qū)⒎至鳚饪s氫流26的預(yù)定部分的任何其它設(shè)備。
在此處公開的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，主燃燒系統(tǒng)14中的燃燒室和燃?xì)廨啓C的燃燒室54采用了燃料和氧化劑的預(yù)混混合物，且可包括預(yù)混的旋流系統(tǒng)或非旋流系統(tǒng)。徑向、軸向和/或雙反旋旋流器也可采用。
表示另一個示例性聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)50的實施方式示于圖2中，該圖中用同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的特征。該聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)50包括至少一個主燃燒系統(tǒng)14以燃燒富燃料的混合物，和至少一個轉(zhuǎn)化器16。氧化劑18和燃料20的混合物噴入用于燃燒富燃料混合物并產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物的主燃燒系統(tǒng)14中。在某些實施方式中，主燃燒室14和轉(zhuǎn)化器16容納在一個共同的燃燒室16中。該聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)進一步包括一個噴射系統(tǒng)，在該噴射系統(tǒng)中，蒸汽22和燃料24被噴入部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，以在驟冷操作中形成混合的產(chǎn)品流12。該混合產(chǎn)品流12被送入用于轉(zhuǎn)化混合產(chǎn)品流12以產(chǎn)生濃縮氫流26的轉(zhuǎn)化器16中。在某些實施方式中，物流52的一部分被直接送至主燃燒系統(tǒng)14中以控制火焰溫度。
濃縮氫流的一部分30在次級燃燒系統(tǒng)38內(nèi)燃燒，以產(chǎn)生可連接到電網(wǎng)44的電力。將補充燃料34和氧化劑36加入該次級燃燒系統(tǒng)38中。濃縮氫流的第二部分32被送入氫氣處理單元40中以產(chǎn)生氫氣。
次級燃燒系統(tǒng)38進一步包括一個燃?xì)廨啓C燃燒室54，一個聯(lián)產(chǎn)渦輪機56，和一個熱量回收及水蒸氣再利用系統(tǒng)58。輸入聯(lián)產(chǎn)渦輪機56的熱氣熱力學(xué)膨脹做功以驅(qū)動聯(lián)產(chǎn)渦輪機56，該渦輪機反過來又產(chǎn)生電力。來自聯(lián)產(chǎn)渦輪機56的電力被轉(zhuǎn)化成適當(dāng)?shù)男问教峁┙o分配電力供應(yīng)網(wǎng)44。
此處公開的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)包括控制當(dāng)量比的系統(tǒng)和方法，從而通過降低主燃燒系統(tǒng)14內(nèi)的火焰溫度而將熱NOX的產(chǎn)生降至最少。在傳統(tǒng)渦輪燃燒室中，控制熱NOX的主要方法是降低燃燒室內(nèi)的火焰溫度。由于整體燃燒系統(tǒng)的當(dāng)量比必須為貧化的(以限制渦輪機的入口溫度并使效率最大化)，因此旨在降低NOX排放的首要努力就在于設(shè)計一種具有更貧反應(yīng)區(qū)的燃燒室。在預(yù)混系統(tǒng)中，火焰溫度因整體當(dāng)量比為貧化的而降低。在擴散系統(tǒng)中，火焰溫度通過水的噴射而降低。使火焰區(qū)為貧化的(即，降低火焰區(qū)的當(dāng)量比)也降低了火焰長度，并因此降低了氣體分子在NOX形成溫度下停留的停留時間。這兩種機理減少了NOX的形成。但是，因為在工業(yè)燃?xì)廨啓C中大負(fù)荷的燃料流動(40∶1)、空氣流動(30∶1)和燃料/空氣比例(5∶1)，所以在滿操作條件下，主區(qū)域當(dāng)量比的減少受到限制。在傳統(tǒng)的燃?xì)廨啓C中，燃料和空氣直接噴入其中的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，燃燒通常發(fā)生在貧化條件下、或者發(fā)生在化學(xué)計量條件或接近化學(xué)計量的條件下，而且在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)存在相當(dāng)大的再循環(huán)。
一種減少NOX形成的方法是通過將散熱器引入火焰區(qū)中以降低火焰溫度。水和蒸汽都能非常有效地實現(xiàn)這一目標(biāo)。但是，盡管因通過渦輪機的附加質(zhì)量流而增加了燃?xì)廨啓C的輸出，整體的效率卻因?qū)⑺訜岬饺紵覝囟人璧念~外燃料而受損。不可避免地，水必須具有鍋爐原料水的質(zhì)量，以防止在燃燒室下游的熱輪機氣體路徑面積上的沉積物和腐蝕。水的噴射是降低NOX形成的一個極有效方法。但是，當(dāng)采用此項降低技術(shù)時，燃燒室的設(shè)計必須觀察某些量度。為了使所用水的效率最大化，將燃料噴嘴設(shè)計為具有附加的通道以將水噴入燃燒室首端。水因此與進入的燃燒空氣充分混合，并在其最熱點處到達(dá)火焰區(qū)。用于減少NOX的蒸汽噴射基本上沿著和水一樣的路徑進入燃燒室首端。但是，在減少熱NOX形成上，蒸汽不象水那樣有效。在降低火焰溫度中，水的高潛熱充當(dāng)了強散熱器?？傮w上，對既定的NOX減少而言，為了實現(xiàn)控制，就需要以質(zhì)量計為水的約1.6倍的蒸汽。對燃?xì)廨啓C的長硬件壽命而言，存在著對噴入燃燒室的水或蒸汽量的實際限制。
將水和/或蒸汽噴入燃燒室內(nèi)影響著多個參數(shù)。其一，水的噴射比蒸汽的噴射更趨向于激發(fā)動力活動。燃燒硬件上的振蕩壓力負(fù)荷起到振蕩強迫的功能，因此必須將該負(fù)荷減至最少以確保長的硬件壽命。通過燃燒室設(shè)計的改型，例如加入多噴嘴燃料系統(tǒng)，就可能顯著減少動壓力的活動。在所公開的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，水和/或蒸汽被噴入燃燒室16內(nèi)，而非噴入燃?xì)廨啓C燃燒室54內(nèi)。這一分離使得能夠更有效地抑制并相當(dāng)?shù)馗綦x動力振動。其二，因為越來越多的水和/或蒸汽被加入燃燒室中，因此就達(dá)到了能觀察到一氧化碳顯著增加的一個點。通常地，在常規(guī)渦輪燃燒室內(nèi)這是不希望發(fā)生的，因為一氧化碳的排放量也將增加。但在所公開的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)，一氧化碳基本上不是問題。這歸因于這一事實，即，濃縮氫流26并未直接送入聯(lián)產(chǎn)渦輪機。該濃縮氫流26的一部分被分流至燃?xì)廨啓C燃燒室54，在那里接觸其中一氧化碳可能已被氧化的氧化氣氛。該濃縮氫流的第二部分被引導(dǎo)至包括一個水-氣催化介質(zhì)的氫氣發(fā)生器，一氧化碳在該介質(zhì)中被轉(zhuǎn)化成二氧化碳。其三，增加水和/或蒸汽的噴射減少了燃燒室操作的穩(wěn)定性，并最終達(dá)到火焰吹熄的那一點。其四，未燃燒烴(UHCs)可能增加，但能夠通過選擇特別是關(guān)于煙霧方面的燃料組成而將其減至最少。
再參見圖2，在某些實施方式中，燃?xì)廨啓C54包括一個貧的預(yù)混燃燒組件(未示出)，一個次級或貧的直接噴射(LDI)燃料噴射器組件，和一個用于使燃燒的熱補充氣體流動至渦輪噴嘴和渦輪槳葉的過渡部件。貧的預(yù)混燃燒室組件包括一個殼體、多個預(yù)混燃燒噴嘴、和一個位于套管內(nèi)的燃燒襯里。在該貧的預(yù)混燃燒室組件內(nèi)的燃燒發(fā)生在燃燒襯里內(nèi)。燃燒氧化劑經(jīng)由流動套管引入襯里中，并通過燃燒襯里上的多個開孔進入燃燒襯里內(nèi)。襯里中發(fā)生燃燒反應(yīng)，釋放出驅(qū)動燃?xì)廨啓C的熱量。用于貧的預(yù)混燃燒室組件的高壓氧化劑從環(huán)狀增壓室進入流動套管和過渡部件碰撞套管中。該高壓氧化劑是通過采用一系列葉和槳的壓縮機供應(yīng)的。每個預(yù)混燃料噴嘴包括一個旋流器，該旋流器包括多個旋流葉片以使進入的氧化劑旋轉(zhuǎn)；和多個燃料輪輻，以將燃料優(yōu)選為天然氣分配到旋轉(zhuǎn)的氧化劑流中。如果需要，補充燃料34和氧化劑36可預(yù)混并加入燃?xì)廨啓C燃燒室54中。然后，燃料和氧化劑在預(yù)混燃料噴嘴的環(huán)狀通道內(nèi)混合，再在燃?xì)廨啓C燃燒室54內(nèi)的主反應(yīng)區(qū)中發(fā)生反應(yīng)，在那里產(chǎn)生熱的補充氣體。該主反應(yīng)區(qū)充滿了來自燃燒室的熱且加壓的氣體。燃?xì)廨啓C燃燒室54能夠在燃料輪機的高負(fù)荷條件、中負(fù)荷條件和低負(fù)荷條件下操作。在操作中，選擇火焰的貧乏程度和補充氣體的流量，以使來源的組合(即，濃縮氫流30和燃?xì)廨啓C燃燒室54內(nèi)產(chǎn)生的熱補充氣體)產(chǎn)生少于1∶1化學(xué)計量比的燃料與氧化劑的燃燒混合物，換言之，即產(chǎn)生整體上為貧的燃燒混合物。燃?xì)廨啓C燃燒室54為聯(lián)產(chǎn)渦輪機56提供動力，從而產(chǎn)生能夠提供給電力網(wǎng)44的電流。由此產(chǎn)生的相轉(zhuǎn)變熱能從排放氣中回收，由此產(chǎn)生的水能通過熱量回收和水蒸氣再利用系統(tǒng)58而進行回收和再利用。
進入燃?xì)廨啓C燃燒室54的濃縮氫流30富含燃料，而且不是足夠熱的和高壓的，不能為渦輪機提供動力。因此，在燃料貧火焰中向它們中加入補充燃燒燃料34和氧化劑36。往燃?xì)廨啓C54中加入補充燃料和氧化劑之后，燃?xì)廨啓C燃燒室54的氣體就足夠地?zé)岷透邏?，從而有效地為由發(fā)生器56驅(qū)動的聯(lián)產(chǎn)渦輪機提供動力，在那里產(chǎn)生足夠量的電力。離開聯(lián)產(chǎn)渦輪機的廢氣處于低壓下，但仍含有相當(dāng)?shù)臐摕?。這些廢氣的潛熱能夠通過換熱器而回收，該能量能夠存儲起來以用于工廠，例如預(yù)熱鍋爐中的水。廢氣中的水也能夠保存，以再利用作為蒸汽用水，或者用作換熱器的介質(zhì)。
將濃縮氫流用于在較貧條件下操作的貧燃料渦輪燃燒室54中，減少了其中的排放，提供了貧燃料渦輪燃燒室54的更好穩(wěn)定性，并產(chǎn)生了更好的操作特性。
在根據(jù)本技術(shù)的一個實施方式中，富燃燒階段包括一個或多個往復(fù)式動力機。
在所公開的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，主燃燒系統(tǒng)14中的富燃料火焰在低溫下操作。燃料20和氧化劑的預(yù)混確保了不會發(fā)生因燃料和氧化劑的化學(xué)計量混合而導(dǎo)致的過熱點，否則該化學(xué)計量混合物將燃燒產(chǎn)物的溫度升至足夠高以致于氧化周圍的氮氣而形成NOX。燃料和氧化劑的化學(xué)計量混合定義為足以將全部燃料氧化成二氧化碳和水的氧化劑與燃料比率。在所公開的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，較低的火焰溫度和預(yù)混將主燃燒系統(tǒng)14中NOX的形成減至最少。燃料的富燃燒促進了部分氧化反應(yīng)(1)，而非標(biāo)準(zhǔn)的燃燒反應(yīng)(2)。
(1)(2)富含氫氣的來自主燃燒系統(tǒng)14的部分氧化的物流通過后續(xù)加入的蒸汽22和燃料24而驟冷，以形成混合產(chǎn)品流12。向部分氧化的物流中噴入蒸汽22和燃料24降低了部分氧化的物流的溫度。熱量、燃料和蒸汽的組合促進了諸如天然氣的燃料的轉(zhuǎn)化，如反應(yīng)(3)所示。該轉(zhuǎn)化工藝導(dǎo)致轉(zhuǎn)化氣體(通常被稱作合成氣)的形成，該轉(zhuǎn)化氣被稱為濃縮氫流26。
(3)部分地是因為蒸汽和天然氣形成氫氣和一氧化碳的反應(yīng)(3)是吸熱的，所以燃燒室46內(nèi)的溫度進一步降低。蒸汽和燃料的加入抑制了氮氧化物(NOX)的形成。
由轉(zhuǎn)化器16產(chǎn)生的濃縮氫流32的第二部分被分流至氫氣處理單元40。該氫氣處理單元40包括一個氫氣發(fā)生器60和一個純化系統(tǒng)62。在某些實施方式中，氫氣發(fā)生器60是一個水-氣催化轉(zhuǎn)化器，以進一步濃縮氫氣在濃縮氫流32的含量。在氫氣發(fā)生器60中發(fā)生下面的水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)(4)。
(4)離開氫氣發(fā)生器60的物流進一步濃縮了氫氣，并包括在水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)(4)中形成的相當(dāng)量二氧化碳。離開氫氣發(fā)生器60的物流被送入純化系統(tǒng)62中。該純化系統(tǒng)包括一個或多個冷凝器/換熱器(未示出)，該冷凝器/換熱器從來自氫氣發(fā)生器60的離開物流中分離出水，從而形成干燥的轉(zhuǎn)化氣。這些換熱器回收了系統(tǒng)中的潛熱。這一回收的潛熱可用于工廠的多種用途，例如用于預(yù)熱鍋爐中的水。在一個實施方式中，純化系統(tǒng)60可包括一個去濕器(未示出)，該去濕器可為諸如離心機的機械設(shè)備以分離水。在另一個實施方式中，利用吸收濕氣的至少一個分子篩床將水分離出來。在某些實施方式中，干燥的轉(zhuǎn)化器除含有氫氣之外，還包括氮氣、一氧化碳、二氧化碳和少量氣體燃料(即天然氣)。
純化系統(tǒng)62進一步包括一個分離單元，在該分離單元中可通過施加包括但不限于變壓吸附、化學(xué)吸收和膜分離的本領(lǐng)域已知的多種技術(shù)而實現(xiàn)干燥轉(zhuǎn)化氣的純化。
變壓吸附(PSA)可用于從含氫氣的氣體混合物中分離二氧化碳。在PSA技術(shù)中，在高分壓下，固體分子篩能夠比吸附氫氣更強烈地吸附二氧化碳。其結(jié)果是，在高壓下，當(dāng)含氫的氣體混合物通過吸附床時，從該混合物中除去了二氧化碳。床的再生可通過減壓和吹掃實現(xiàn)。典型地，對臨界操作而言，采用多個吸附器以連續(xù)分離二氧化碳，其中一個吸附床進行使用，而其它床進行再生。
從氣流中分離二氧化碳的另一項技術(shù)是用氧化物如氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)或其混合物的化學(xué)吸收。在一個實施方式中，在高壓和高溫下，CO2被CaO吸收以形成碳酸鈣(CaCO3)，從而從氣體混合物中除去了CO2。吸附劑CaO的再生通過焙燒CaCO3實現(xiàn)，焙燒能夠?qū)aCO3再次分解為CaO。
用于從干燥轉(zhuǎn)化流中分離CO2的另一項技術(shù)是用胺的CO2化學(xué)吸收。干燥的轉(zhuǎn)化氣可冷卻至適當(dāng)?shù)臏囟龋圆捎美冒返亩趸蓟瘜W(xué)吸收。該技術(shù)是基于鏈烷醇胺溶劑，該溶劑具有在相對低的溫度下吸收二氧化碳的能力，而且易于通過提高富集溶劑的溫度而得以再生。用于此項技術(shù)的溶劑可包括三乙醇胺、單乙醇胺、二乙醇胺、二異丙醇胺、二乙二醇胺和甲基二乙醇胺。
膜分離技術(shù)也可用于從氣流中分離二氧化碳。膜工藝通常比吸收工藝更加能量高效，而且易于操作。用于高溫二氧化碳分離的膜包括對CO2是選擇性的沸石和陶瓷膜。但是，膜技術(shù)的分離效率低，通過膜分離可能不能實現(xiàn)完全的二氧化碳分離。典型地，膜分離器在較高壓力下更加有效，而且用膜分離器從氫氣處理單元40的干燥轉(zhuǎn)化氣中分離二氧化碳可能需要壓縮機以壓縮干燥的轉(zhuǎn)化氣。
在某些實施方式中，氫氣處理單元40中的干燥轉(zhuǎn)化氣采用膜分離技術(shù)以得到純氫氣?？捎枚喾N聚合物作為在相對低的溫度下操作的氫氣選擇性膜。在一個實施方式中，可通過聯(lián)合PSA單元和CO2分離膜而增強氫氣的分離效率。在第一個步驟中由PSA技術(shù)分離出H2。在接下來的步驟中由CO2分離膜分離出CO2。某些聚合膜在相對低的溫度下顯示出對CO2分離的良好滲透性。
在某些實施方式中，氫氣純化系統(tǒng)62可采用低溫分離技術(shù)。當(dāng)重要的是回收多種餾分和多種產(chǎn)品時，可采用低溫分離。在某些實施方式中，純化系統(tǒng)62包括液化設(shè)備、冷凍激冷器和蒸餾設(shè)備，以從轉(zhuǎn)化氣中分離出單獨的組成氣。
離開純化系統(tǒng)的純化氫氣流可分流為數(shù)個路徑。該純化氫氣的一部分64可存儲在氫氣儲罐68內(nèi)。純化氫氣可儲存為冷的高壓液體、加壓氣體，或在某些實施方式中儲存在吸收性材料如碳納米管、石墨密封金屬、納米材料、和/或其它吸附材料中。在另一個實施方式中，純化的氫氣可存儲為金屬氫化物。然后將這樣存儲的氫氣在工廠外裝船、銷售、或用于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)50中。所存儲氫氣的一部分72a可作為補充燃料而分流至次級燃燒系統(tǒng)38。
此外，純化氫氣的另一部分66可用在包括一個或多個燃料電池的燃料電池系統(tǒng)74中。該燃料電池選自固體氧化物燃料電池(SOFC)、質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、磷酸燃料電池、堿燃料電池、直接甲醇燃料電池、再生燃料電池、鋅空氣燃料電池、和質(zhì)子陶瓷燃料電池。燃料電池系統(tǒng)74利用氫氣以將其直接轉(zhuǎn)化成電，該電流如果需要則隨后送至電力網(wǎng)44。諸如PEM燃料電池或SOFC的燃料電池系統(tǒng)74中反應(yīng)的副產(chǎn)品是水和熱量，它們可通過熱量和水蒸汽的再利用系統(tǒng)78而得以回收，以用于聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)76的氫氣可通過物流72b而來自氫氣儲罐68，或者直接來自氫氣純化單元62。
此處所公開的聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)涉及利用富燃燒-驟冷-轉(zhuǎn)化設(shè)備而生產(chǎn)氫氣的系統(tǒng)和方法。這些系統(tǒng)和方法優(yōu)選利用形成熱氣流的燃燒系統(tǒng)，該熱氣流是富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物。燃燒室是一個富燃燒-驟冷-轉(zhuǎn)化設(shè)備，包括至少一個c-q-r階段，其中每個c-q-r階段包括燃燒、驟冷和轉(zhuǎn)化步驟。
圖3示出示例性的富燃燒-驟冷-轉(zhuǎn)化(c-q-r)階段80的概略圖。這樣的富燃燒-驟冷-轉(zhuǎn)化階段80能夠用于優(yōu)化氫氣的生產(chǎn)。c-q-r階段80包括三個步驟。第一，在燃燒步驟90中，燃料和氧化劑82在噴入物流84的存在下燃燒。氧化劑可以是空氣、富氧空氣、貧氧空氣或純氧氣。所產(chǎn)生的熱氣在驟冷步驟92中接下來和附加燃料和蒸汽86混合，形成高度富含燃料的熱氣流。接下來，在轉(zhuǎn)化步驟96中，噴入附加的蒸汽94，這改變了混合物向著氫氣的平衡。進一步濃縮了氫氣的熱氣流離開轉(zhuǎn)化步驟，然后送入另一個類似的c-q-r階段，以進一步濃縮氫氣。圖3概略地示出一個示例性的富燃燒-驟冷-轉(zhuǎn)化(combustion-quench-reform，c-q-r)設(shè)備100，其包括三個串聯(lián)的c-q-r階段80。每個階段80提高了熱氣流質(zhì)量或氫氣含量。多個c-q-r階段增加了氫氣的產(chǎn)量，并顯著增加了當(dāng)量比，從而整體當(dāng)量比高于1。該富燃燒-驟冷-轉(zhuǎn)化設(shè)備可包括一個或多個c-q-r階段，階段的數(shù)量取決于所需的氫氣產(chǎn)量。
除了燃料和氧化劑的預(yù)混混合物之外，可以預(yù)期并非全部燃燒氣體都將完全預(yù)混，這是由于燃燒室、主燃燒系統(tǒng)、和向主燃燒系統(tǒng)供應(yīng)燃料和氧化劑的組件的結(jié)構(gòu)限制。燃料和氧化劑的混合物能夠在燃燒之前部分地預(yù)混，例如在燃燒室具有擴散燃燒和預(yù)混燃燒的情況下。
如上所述，此處公開的氫電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)和方法提供的系統(tǒng)，它們對電力的高峰負(fù)荷要求波動具有獨特的響應(yīng)，同時能以實穩(wěn)態(tài)條件進行損傷。在高峰負(fù)荷期間，燃料電池技術(shù)和燃?xì)廨啓C技術(shù)的組合創(chuàng)造了易于獲得的備份電源。當(dāng)電負(fù)載低時，較大量的燃料將轉(zhuǎn)化成氫氣，氫氣被儲存起來以備以后用于燃料電池或任何其它的應(yīng)用。當(dāng)電需求高時，可使燃料電池聯(lián)機以產(chǎn)生所需的電流，從而滿足更高的電需求。如果渦輪機系統(tǒng)出現(xiàn)失誤，或是計劃內(nèi)的關(guān)閉，則燃料電池能夠為其提供一個部分備份系統(tǒng)。如果存在過量的電生產(chǎn)能力，則該過量能力能用于以相對便宜的價格制造氫氣。氫氣然后可用作離線或甚至是移動的燃料電池的燃料源。此外，過量的氫氣甚至可以以類似于石油基燃料的方式進行銷售和散發(fā)，以用于離線的燃料電池。
已經(jīng)描述了本發(fā)明多種實施方式，以滿足本發(fā)明所遇到的不同需求。應(yīng)該認(rèn)識到，這些實施方式僅僅是對本發(fā)明不同實施方式的原理的說明。本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的條件下存在著多種改型和改變。因此，這意味著本發(fā)明覆蓋了在所附權(quán)利要求書及其等價物范圍內(nèi)的所有適當(dāng)改型和變化。
元件列表

權(quán)利要求
1.一種用于電氫聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)(10)，包括至少一個主燃燒系統(tǒng)(14)，用于燃燒富含燃料的混合物并產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物；至少一個噴射系統(tǒng)，用于將燃料(24)和蒸汽(22)噴入所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，從而產(chǎn)生混合產(chǎn)品流；至少一個轉(zhuǎn)化器(16)，用于轉(zhuǎn)化所述的混合產(chǎn)品流以產(chǎn)生濃縮氫流(26)；一個次級燃燒系統(tǒng)(38)，用于燃燒所述濃縮氫流的至少一部分(30)以產(chǎn)生電；和一個氫氣處理單元(40)，用于接收所述濃縮氫流的至少第二部分(32)以從中產(chǎn)生氫氣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述主燃燒系統(tǒng)(14)包括一個燃燒室，該燃燒室具有一系列的縫隙以使蒸汽可以加入所述燃燒室中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括一個物流調(diào)節(jié)器(28)，用于將所述濃縮氫流的預(yù)定部分分流至所述次級燃燒系統(tǒng)(38)和所述氫氣處理單元(40)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述次級燃燒系統(tǒng)(38)包括一個聯(lián)產(chǎn)渦輪機(56)以產(chǎn)生電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述氫氣處理單元(40)包括一個氫氣發(fā)生器(60)，該氫氣發(fā)生器被設(shè)計成以接收所述濃縮氫流(32)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中所述燃料選自由天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烴原料以及它們的混合物組成的組。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包括多個重復(fù)單元，該單元包括一燃燒系統(tǒng)、一噴射系統(tǒng)和一轉(zhuǎn)化器，所述重復(fù)單元串聯(lián)連接，其中，所述濃縮氫流被送入第一重復(fù)單元的所述燃燒系統(tǒng)內(nèi)，來自所述第一重復(fù)單元的所述轉(zhuǎn)化器的第一濃縮氫流被送入第二重復(fù)單元的所述燃燒系統(tǒng)內(nèi)。
8.一種用于電氫聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)，包括多個重復(fù)單元(80)，該單元包括一個主燃燒系統(tǒng)，用于燃燒富含燃料的混合物并產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物；一個噴射系統(tǒng)，用于將燃料和蒸汽噴入所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，從而形成混合物產(chǎn)品流；以及一個轉(zhuǎn)化器，用于轉(zhuǎn)化所述混合物產(chǎn)品流以產(chǎn)生濃縮氫流；一個次級燃燒系統(tǒng)(38)，用于燃燒所述濃縮氫流的至少一部分以產(chǎn)生電；和一個氫氣處理單元(40)，用于接收所述濃縮氫流的至少第二部分以從中產(chǎn)生氫氣，其中，來自一個重復(fù)單元的所述轉(zhuǎn)化器的所述濃縮氫流被送入下一個重復(fù)單元的所述燃燒系統(tǒng)中。
9.一種用于電氫聯(lián)產(chǎn)的方法，包括如下步驟燃燒富含燃料的混合物，從而產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物；將所述燃料和蒸汽噴入所述部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，以產(chǎn)生混合產(chǎn)品流；轉(zhuǎn)化所述混合產(chǎn)品流以產(chǎn)生濃縮氫流；燃燒所述濃縮氫流的至少一部分以產(chǎn)生電；和處理所述濃縮氫流的至少第二部分以從中產(chǎn)生氫氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，一個次級燃燒系統(tǒng)(38)用于燃燒所述濃縮氫流的至少所述部分以產(chǎn)生電，一個氫氣處理單元(40)用于處理所述濃縮氫流的至少所述第二部分以產(chǎn)生氫氣。
全文摘要
一種用于電氫聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)，包括至少一個主燃燒系統(tǒng)，用于燃燒富含燃料的混合物并產(chǎn)生富含氫氣的部分氧化的燃燒產(chǎn)物。該系統(tǒng)進一步包括至少一個噴射系統(tǒng)，用于將燃料和蒸汽噴入部分氧化的燃燒產(chǎn)物中，從而產(chǎn)生混合產(chǎn)品流。該混合產(chǎn)品流在轉(zhuǎn)化器中進行轉(zhuǎn)化，以產(chǎn)生濃縮氫流。該濃縮氫流的至少一部分在次級燃燒系統(tǒng)內(nèi)燃燒以產(chǎn)生電，該濃縮氫流的至少第二部分被送至氫氣處理系統(tǒng)以在那里產(chǎn)生氫氣。
文檔編號C01B3/38GK1654312SQ20041009549
公開日2005年8月17日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月24日
發(fā)明者A·科利巴巴-埃烏萊特, B·瓦拉塔拉彥, C·巴蘭 申請人:通用電氣公司