專利名稱：用于共同產(chǎn)生氫和電能的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能量生成系統(tǒng)，更具體而言，涉及氫和電能的共同產(chǎn)生。
背景技術(shù)：
近年來，在使用復(fù)合循環(huán)能量生成系統(tǒng)方面已作出了多種嘗試，在這種系統(tǒng)中，燃料在燃燒器中燃燒產(chǎn)生熱氣體，所述熱氣體驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生電能。在復(fù)合循環(huán)能量生成系統(tǒng)中，燃燒器通常由壓縮空氣進(jìn)行冷卻，所述壓縮空氣很容易從設(shè)備中獲得。使用壓縮空氣冷卻燃燒器限制了燃燒器中火焰溫度的下限，進(jìn)而可能會導(dǎo)致氮氧化物(NOx)的產(chǎn)量及其排放量較高。
共同產(chǎn)生工藝路線一般是從同一原料中產(chǎn)生電和一些液體燃料或者化學(xué)品。共同產(chǎn)生的概念是基于在對電量需求較少的期間生產(chǎn)化學(xué)品或液體燃料以及在用電高峰期中使用它們來增加能量產(chǎn)量。氫是一種使用最廣泛的燃料，由這種共同產(chǎn)生設(shè)備生產(chǎn)的氫可以多種方式加以利用，包括發(fā)電。
典型地，烴燃料例如天然氣的蒸汽重整是產(chǎn)生氫的主要方法。重整反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，其中必須提供外部熱量。一般通過燃燒一部分用于重整的燃料或者重整設(shè)備中存在的任何富含燃料的氣體以供給這種外部熱量。該過程耗能多并且會產(chǎn)生大量的氮氧化物(NOx)。
隨著氫經(jīng)濟(jì)的到來，對于可以生產(chǎn)氫和電的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的需求預(yù)計會不斷增加。因此，需要設(shè)計一種共同產(chǎn)生系統(tǒng)，其能夠以高效的方式產(chǎn)生氫和電能，同時限制NOx的排放。

發(fā)明內(nèi)容
一方面，一種用于共同產(chǎn)生氫和電能的系統(tǒng)包括重整器，所述重整器被構(gòu)造用以接收重整器燃料和蒸汽并產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括與重整器流體連通的分離單元，其中所述分離單元被構(gòu)造用以接收重整產(chǎn)物，從重整產(chǎn)物中分離出氫，并產(chǎn)生廢氣。所述系統(tǒng)還包括燃燒器，所述燃燒器被構(gòu)造用以接收燃料進(jìn)行燃燒并產(chǎn)生熱能和熱的壓縮氣體，其中所述燃燒器與重整器相連接。燃?xì)廨啓C(jī)使熱壓縮氣體膨脹并產(chǎn)生電能和膨脹的氣體；其中至少一部分來自燃燒器的熱能被用于在重整器中生產(chǎn)重整產(chǎn)物。
另一方面，一種用于共同產(chǎn)生氫和電能的系統(tǒng)包括重整器，所述重整器被構(gòu)造用以接收重整器燃料和蒸汽并產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物。所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括燃燒器，所述燃燒器被構(gòu)造用以接收燃料進(jìn)行燃燒并產(chǎn)生熱能和熱的壓縮氣體，其中所述燃燒器與重整器相連接。分離單元與重整器流體連通，所述分離單元被構(gòu)造用于接收重整產(chǎn)物，從重整產(chǎn)物中分離出氫，并產(chǎn)生廢氣。至少一部分來自燃燒器的熱能被用于在重整器中生產(chǎn)重整產(chǎn)物。燃?xì)廨啓C(jī)使熱壓縮氣體膨脹并產(chǎn)生電能和膨脹的氣體。至少一部分來自燃燒器的熱能被用于在重整器中生產(chǎn)重整產(chǎn)物。分離單元被構(gòu)造用以從重整產(chǎn)物中分離二氧化碳，并使至少一部分廢氣再循環(huán)至重整器。
另一方面，一種用于共同產(chǎn)生氫和電能的方法包括在重整器中對重整器燃料和蒸汽的混合物進(jìn)行重整并產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物。該方法進(jìn)一步包括從重整產(chǎn)物中分離出氫并產(chǎn)生廢氣。該方法還包括在燃燒器中燃燒燃料，產(chǎn)生熱能和熱的壓縮氣體，其中燃燒器與重整器相連接。熱壓縮氣體在燃?xì)廨啓C(jī)中膨脹產(chǎn)生電能和膨脹的氣體；其中至少一部分來自燃燒器的熱能被用于在重整器中生產(chǎn)重整產(chǎn)物。
另一方面，一種燃燒器重整器系統(tǒng)，包括燃燒器，所述燃燒器被構(gòu)造用以接收用于燃燒的燃料和氧化劑，并產(chǎn)生熱的壓縮氣體和熱能。重整器與燃燒器緊密接觸，所述重整器被構(gòu)造用以接收重整器燃料和蒸汽并產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物。所述重整器與燃燒器相連接，并且至少一部分來自燃燒器的熱能被用于在重整器中生產(chǎn)重整產(chǎn)物。


下面參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明，本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點將變得更加容易理解，在所有附圖中相同的附圖標(biāo)記代表相同的部件，其中圖1為第一種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的工藝流程示意圖；圖2為第二種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的工藝流程示意圖；圖3為第三種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的工藝流程示意圖；圖4為第四種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的工藝流程示意圖；圖5為第五種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的工藝流程示意圖；圖6為典型的燃燒器重整器的示意圖；以及圖7為另一種典型的燃燒器重整器的剖視圖。
具體實施例方式
圖1示意性地示出了用于生產(chǎn)氫和電能的典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)2，其包括輪機(jī)部分3和氫生成部分5。氫生成部分包括重整器4和分離單元12。輪機(jī)部分包括燃燒器6、壓縮機(jī)24、燃?xì)廨啓C(jī)26和轉(zhuǎn)子46，輪機(jī)26通過轉(zhuǎn)子驅(qū)動壓縮機(jī)24。重整器4與燃燒器6連接在一起，其中來自燃燒器6的燃燒熱量用于重整器4中的重整過程。在下面的詳細(xì)描述中，共同產(chǎn)生系統(tǒng)2的基本元件大部分都是公知的，通過策略性地互相連接系統(tǒng)元件與再循環(huán)流動通路以提高系統(tǒng)的性能和效率，從而相對于已公知的系統(tǒng)實現(xiàn)了效率的提高。通過回收來自共同產(chǎn)生系統(tǒng)的排出氣流中的能量，提高了共同產(chǎn)生系統(tǒng)的效率。在此所述的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的不同實施例中，燃燒過程中所使用的氧化劑是環(huán)境空氣?？梢岳斫獾氖浅鲇谕瑯拥哪康?，可以使用任何其它包括燃燒所需量的氧的氧化劑流。
在操作中，重整器4被構(gòu)造以接收燃料流8和蒸汽40。在重整器4中，燃料流8與蒸汽40反應(yīng)產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物流44。重整產(chǎn)物流44被送至分離單元12，分離單元12被構(gòu)造以產(chǎn)生基本上純的氫氣流16和廢氣流18。在一些實施例中，分離單元12進(jìn)一步產(chǎn)生富含二氧化碳(CO2)的氣流14。
典型地，重整烴燃料，例如天然氣和蒸汽，能夠產(chǎn)生氫。該過程能耗較大，并且在整個重整過程中大量的熱被吸收。天然氣的主要成分是甲烷(CH4)，其與蒸汽通過兩步反應(yīng)產(chǎn)生氫。通過重整過程，天然氣通過以下的反應(yīng)(1)和(2)轉(zhuǎn)化成氫。
(1)(2)至少一部分引入的燃料8在重整器4中經(jīng)重整過程被轉(zhuǎn)化生成氫。在存在適當(dāng)?shù)恼羝卣呋瘎├珂嚨臈l件下發(fā)生重整反應(yīng)(1)。重整反應(yīng)(1)是高吸熱的反應(yīng)，反應(yīng)熱大約為88,630BTU/摩爾。其它烴燃料的重整反應(yīng)同樣是吸熱的。重整產(chǎn)物流44中包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氫(H2)，未反應(yīng)的燃料和水。重整產(chǎn)物流44被送入分離單元12中，所述分離單元將氫和二氧化碳從重整產(chǎn)物流44中分離出來，并產(chǎn)生富含二氧化碳的氣流14、富氫的氣流16和廢氣流18。在一種實施方式中，廢氣流18循環(huán)回到燃料進(jìn)入氣流8中，并且混合后的氣流與蒸汽一起被送入重整器4中。
吸熱的重整反應(yīng)(1)所需的熱量由來自燃燒器6的燃燒熱提供，燃燒器6與重整器4相連接。燃燒器6被構(gòu)造以接收進(jìn)入的燃料流10和壓縮的氧化劑流20。進(jìn)入的燃料流10和氧化劑流20可以預(yù)混合，并注入燃燒器6。在一些實施例中，燃料和氧化劑可以單獨注入燃燒器6。在一些其它的實施例中，燃料和氧化劑在被送入燃燒器6之前可以部分或者完全混合。進(jìn)入的燃料流10可包括任何合適的氣體或液體，例如氫、天然氣、甲烷、石腦油、丁烷、丙烷、柴油、煤油、航空燃料、源于煤的燃料、生物燃料、充氧的烴原料、及其混合物。在一些實施例中，燃料可優(yōu)選包含氫或天然氣(NG)或者其混合物。在其它一些實施例中，從分離單元12中出來的廢氣流18的一部分被用作燃燒器6的燃料。來自壓縮機(jī)24的壓縮的氧化劑20可包括含氧的任何合適的氣體，例如空氣、富氧空氣、貧氧空氣、和/或純氧。在操作中，典型壓縮機(jī)24為多級壓縮機(jī)，其包括多列靜葉片和轉(zhuǎn)動葉片。燃燒器6中的燃燒過程生成熱氣流22。
回到圖1，從燃燒器6中出來的熱氣流22被送入燃?xì)廨啓C(jī)26。共同產(chǎn)生系統(tǒng)2進(jìn)一步包括被附接到燃?xì)廨啓C(jī)26上的發(fā)電機(jī)28和熱回收蒸汽發(fā)電機(jī)(下文稱HRSG)。送入燃?xì)廨啓C(jī)26中的熱氣流22的熱力學(xué)膨脹產(chǎn)生驅(qū)動燃?xì)廨啓C(jī)26的能量，進(jìn)而通過發(fā)電機(jī)28發(fā)電。來自發(fā)電機(jī)28的電能被轉(zhuǎn)換成適當(dāng)?shù)男问?，并被供給至配電供應(yīng)電網(wǎng)(未示出)。從燃?xì)廨啓C(jī)26中出來的膨脹氣體30被送入HRSG 32用于回收膨脹氣體30中所含的熱量。水流34被送入HRSG 32，利用從燃?xì)廨啓C(jī)26中產(chǎn)生的膨脹氣體30中回收的熱量，進(jìn)而生成蒸汽38。從HSRG32中出來的冷卻的膨脹氣體36被排入大氣。
共同產(chǎn)生系統(tǒng)的不同的典型實施例如圖2、3、4和5中所示。如圖2、3、4和5中所示的所有的典型實施例中都具有如圖所示的共同產(chǎn)生系統(tǒng)2的基本元件，其中使用同樣的附圖標(biāo)記表示同樣的特征。
共同產(chǎn)生系統(tǒng)50的第二典型實施例如圖2所示。根據(jù)該第二實施例，分離單元12包括熱交換器54、轉(zhuǎn)化反應(yīng)器56和分離裝置62。在操作上，重整器4與熱交換器54之間流體連通。水流52被引入到熱交換器54，在其中利用從重整器4的重整產(chǎn)物蒸汽44中回收的熱量使水轉(zhuǎn)化為蒸汽64。在熱交換器54中生成的蒸汽64用于重整器4中的重整過程。
從重整器4中生成的重整產(chǎn)物流44包含氫(H2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、水和未反應(yīng)的燃料。利用熱交換器54重整產(chǎn)物流44被冷卻到大約200℃到約400℃之間的溫度，以產(chǎn)生冷卻的重整產(chǎn)物流58。在冷卻重整產(chǎn)物流58中一氧化碳和水可以進(jìn)行反應(yīng)，進(jìn)一步生成二氧化碳。這可以通過放熱反應(yīng)(2)實現(xiàn)，即公知的水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)。貧CO2的冷卻重整產(chǎn)物流58被送入轉(zhuǎn)化反應(yīng)器56，以利于在存在催化劑的條件下進(jìn)行水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)。轉(zhuǎn)化反應(yīng)器56中的排出流60中包含未反應(yīng)的燃料、二氧化碳、水、氫和痕量的未轉(zhuǎn)化的一氧化碳。所述排出流60也可被指定為富氫和二氧化碳的氣流。
從轉(zhuǎn)化反應(yīng)器56中出來的富氫和二氧化碳的排出流60，被送入分離裝置62，所述分離裝置62可進(jìn)一步包括二氧化碳分離器。二氧化碳分離器可以采用本領(lǐng)域已公知的各種技術(shù)，包括但不限于采用壓力擺動吸附、化學(xué)吸附和膜分離技術(shù)以分離排出流60中的二氧化碳。
壓力擺動吸附(PSA)可用于從含有氫的氣體混合物中分離二氧化碳。在PSA技術(shù)中，在高的局部壓力下，固體分子篩可以吸附二氧化碳，比對氫的吸附更強(qiáng)烈。由此，在高壓下，當(dāng)混合物通過吸附床時，含有氫的氣體混合物中的二氧化碳被除去。通過減壓和清洗，吸附床得到再生。一般對于嚴(yán)格的操作，使用多個吸附容器以實現(xiàn)二氧化碳的連續(xù)分離，其中一個吸附床被使用，同時其它的吸附床進(jìn)行再生。
用于從氣流中分離二氧化碳的另一種技術(shù)是化學(xué)吸附方法，其使用氧化物，例如氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO)或者其組合物。在一個實施例中，在高壓和高溫條件下，CO2被CaO吸收生成碳酸鈣(CaCO3)，由此從氣體混合物中除去了CO2。吸附劑CaO通過煅燒CaCO3獲得再生，即再次將CaCO3重整成CaO。
膜分離技術(shù)也可以用于從氣流中分離二氧化碳。膜分離方法一般比吸附方法在能量上更有效、并且更容易進(jìn)行操作。用于高溫二氧化碳分離的膜包括沸石和陶瓷膜，其對CO2具有選擇性。然而，膜分離技術(shù)的分離效率低，且通過膜分離方法不能達(dá)到二氧化碳的完全分離。一般膜分離器在高壓條件下工作更有效，并且使用膜分離器從轉(zhuǎn)化反應(yīng)器56的排出流60中分離二氧化碳可以通過在CO2分離之前進(jìn)一步對排出流60進(jìn)行壓縮的辦法實現(xiàn)。
另外一種用于從排出流60中分離CO2的技術(shù)可包括，但不限于，使用胺化學(xué)吸附CO2。排出流60可以冷卻至合適的溫度，以使用胺進(jìn)行二氧化碳的化學(xué)吸附。這種技術(shù)是基于烷醇胺溶劑，其可具有在相對低的溫度下吸附二氧化碳的能力，并且通過提高富溶劑的溫度容易進(jìn)行再生。在富溶劑再生后得到富含二氧化碳的氣流14。在這種技術(shù)中使用的溶劑可包括三乙醇胺、單乙醇胺、二乙醇胺、二異丙醇胺、二甘醇胺和甲基二乙醇胺。
在一些實施例中，二氧化碳分離器可包括至少一個吸附床，其中利用PSA技術(shù)從排出流60中分離二氧化碳。在其它一些實施例中，二氧化碳分離器可包括至少一個吸附容器，其中利用的是化學(xué)吸附技術(shù)。在其它實施例中，二氧化碳分離器包括至少一個膜分離器。使用在此所述的不同技術(shù)，從分離裝置62中生成了富含二氧化碳的氣流14。富含二氧化碳的氣流14可以輸出用于任何其它的工業(yè)應(yīng)用。
分離裝置62可以進(jìn)一步包括氫分離器。從其它氣體中分離氫產(chǎn)生基本上純的氫氣流16的方法包括PSA和膜分離方法。多種聚合物可用于氫選擇性膜，其在相對低的溫度下進(jìn)行工作。在一個實施例中，可以通過組合PSA單元和CO2分離膜的方式提高氫的分離效率。第一步，使用PSA技術(shù)分離H2。下一步，由CO2選擇性膜分離CO2。一些聚合物膜顯示出在相對低的溫度下用于CO2分離的良好的選擇透過性。
在一些實施例中，氫分離器可以采用低溫分離技術(shù)。當(dāng)需要回收多種分餾物和多種產(chǎn)物時，可以使用低溫分離。在一個實施例中，從轉(zhuǎn)化反應(yīng)器56中出來的排出流60被壓縮到大約900psia的壓力，然后使用冷凝器冷卻到室溫，使CO2液化。在該過程中，氫可作為氣體從該過程中被回收，而CO2作為液體從冷凝器的底部被除去。氫分離器可以進(jìn)一步與水氣分離器整合為一體。
如圖2所示，從分離裝置62回收了三種氣流，即基本純的氫氣流16、富含二氧化碳的氣流14和廢氣18。從分離裝置62出來的廢氣氣流18包含未反應(yīng)的燃料，未被分離的氫和水。在一些實施例中，其可以進(jìn)一步包含痕量的二氧化碳和一氧化碳。氣流18連同進(jìn)入的燃料流8一起循環(huán)回到重整器4。
在一個實施例中，氫氣流16的一部分用作燃燒器6中燃燒過程的燃料。在圖2所示的這種典型實施例中，實現(xiàn)了二氧化碳的完全分離。由于在燃燒器中燃燒的燃料包含基本純的氫，因此在燃燒器6中燃燒過程中不產(chǎn)生二氧化碳。從燃燒器中生成的熱氣體22因此不含二氧化碳，并且排放到大氣中的廢氣36中不會釋放任何二氧化碳。在重整過程中產(chǎn)生的二氧化碳作為濃縮的二氧化碳?xì)饬?4被分離，其或者被保管起來或者在市場上出售，這取決于對二氧化碳的需求。如圖2所示，在HRSG 32中生成的氣流66中的一部分循環(huán)回到重整器4，以提供足夠量的蒸汽用于進(jìn)行吸熱的重整反應(yīng)(1)和放熱的水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)(2)。在一些實施例中，從HSRG 32中生成的蒸汽38的另一部分，被送到蒸汽輪機(jī)(未示出)用于生成另外的能量。
圖3中示出了第三種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)，其中從分離裝置62出來的廢氣氣流18循環(huán)回到燃燒器6。如同上述部分所描述的廢氣氣流18一般包含未燃燒的燃料、H2、CO和CO2。由于在分離裝置62中二氧化碳作為濃縮的二氧化碳?xì)饬?4得到分離，因此在排出蒸汽60中的二氧化碳在廢氣18再循環(huán)到燃燒器6之前基本上被除去。因此在燃燒器6中生成的，以及隨后作為廢氣36排放到大氣中的二氧化碳，相對于傳統(tǒng)的組合循環(huán)能量生成系統(tǒng)包含較少量的二氧化碳。由于在廢氣18再循環(huán)進(jìn)入燃燒器6之前在預(yù)燃燒階段除去了二氧化碳，因此在圖3所示的共同產(chǎn)生系統(tǒng)中部分實現(xiàn)了二氧化碳的分離。二氧化碳的分離在預(yù)燃燒階段中較容易實現(xiàn)，因為從轉(zhuǎn)化反應(yīng)器出來的排出蒸汽60中二氧化碳的濃度很高。任何燃燒后的分離都是難于實現(xiàn)的，因為從燃燒器出來的熱的壓縮氣體包含氮氣，氮氣稀釋了從燃燒器6中出來的熱壓縮氣流22中的二氧化碳濃度。
圖4示出了第四種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)，其中廢氣氣流18與第二燃燒室84流體連通。從分離裝置62出來的廢氣氣流18連同氧化劑流82，例如空氣一起被送入第二燃燒器84。在一些實施例中，氧化劑流82包含基本上純的氧，其中從第二重整器中出來的排出氣流86不含任何稀釋劑，例如氮。排出氣流86在HRSG 32中冷卻，其中排出氣流86的流體通路與從燃?xì)廨啓C(jī)26中出來的輪機(jī)排氣30的流動通路相隔離。圖4所示的共同產(chǎn)生系統(tǒng)的優(yōu)點是二氧化碳的隔離，原因是在燃燒器6中燃燒的燃料包含基本上純的氫。從輪機(jī)排氣30中的熱量回收中生成的蒸汽66和從第二燃燒器84產(chǎn)生的排出流86的一部分循環(huán)回到重整器4。氣流38的一部分可被送入蒸汽輪機(jī)(未示出)用于進(jìn)一步產(chǎn)生能量。在一些實施例中，從HRSG 32中產(chǎn)生的冷卻的排氣流36和85被排入大氣中。
圖5示出了第五種典型的共同產(chǎn)生系統(tǒng)，其中壓縮空氣流20被直接引導(dǎo)朝向回流換熱器92，所述回流換熱器92為已公知類型的包括隔離開的流動通路的熱交換器。壓縮空氣流20在回流換熱器的第一流動通路96中進(jìn)入回流換熱器92。輪機(jī)排氣30與第二燃燒器84的排氣86混合以產(chǎn)生混合的輪機(jī)排氣流88。在其他一些實施例中，從第二燃燒器84出來的排氣86和從燃?xì)廨啓C(jī)26出來的排氣30在回流換熱器92中具有獨立的流動通路，其中導(dǎo)向燃燒器82的氧化劑流82中包含基本上純的氧。如圖5所示，混合的輪機(jī)排氣流88經(jīng)由第二回流換熱器流動通路99流入回流換熱器92，由此，輪機(jī)排氣88中的熱量被轉(zhuǎn)移給壓縮空氣流20，而不需要將壓縮空氣流20與輪機(jī)排氣流88相互混合。受熱的壓縮空氣流98排出回流換熱器92并且流至燃燒器6以向該處提供氧化劑。通過利用輪機(jī)排氣88加熱壓縮空氣流20，免去了傳統(tǒng)加熱器或再生熱交換器使氧化劑升溫的所需的成本，并且由此使輪機(jī)排氣88在排放到大氣中之前就被冷卻。冷卻的輪機(jī)排氣流94進(jìn)一步被送入HRSG 32中，其中引入的水流34被加熱以產(chǎn)生蒸汽。冷卻的輪機(jī)排氣36被排放到大氣中，且生成的蒸汽66循環(huán)回到重整器4中。
在根據(jù)圖1、2、3、4和5所示技術(shù)的所有典型實施例中，重整器4和燃燒器6是連接在一起的。燃燒器6的冷卻由重整燃料和蒸汽的吸熱重整反應(yīng)完成。在吸熱重整過程中吸收大量的熱保證了燃燒器6的襯里可以得到冷卻，并且燃燒器的可操作性和火焰穩(wěn)定性得以改善。由于在如上面部分所描述的不同實施例中，通過在燃燒器6中燃燒富氫的燃料能夠得到較低的火焰溫度，因此這里所披露的共同產(chǎn)生系統(tǒng)還確保了NOX產(chǎn)物的明顯減少。
圖6為典型的燃燒器-重整器的示意圖，其中重整器與燃燒器連接在一起。連接在一起的重整器-燃燒器100被構(gòu)造以設(shè)置在圓筒形的壓力殼118中。壓力殼的厚度按照適當(dāng)?shù)囊?guī)范，取決于重整器-燃燒器100的最大操作壓力進(jìn)行設(shè)計。重整過程在管102中進(jìn)行，該管與燃燒器110緊密接觸，其中重整器102和燃燒器110是同心的。壓縮空氣流過壓力殼中的環(huán)形空間108如氣流106所示?？諝馔ㄟ^入口120進(jìn)入燃燒器110。燃料，例如氫、天然氣或廢氣也在相同的位置處輸送到燃燒器110(未示出)。空氣和燃料的混合在混合區(qū)122中完成。燃燒區(qū)124首先產(chǎn)生燃燒熱，其沿徑向和軸向擴(kuò)散穿過表面116，該表面與重整器102相接觸。燃燒器110的燃燒區(qū)124的一般溫度可以升高到1700℃左右，該溫度范圍足以提供重整過程所需的大量熱能。在從燃燒器110到重整器102的傳熱過程中，燃燒器的襯里得到冷卻，由此提高了燃燒器的壽命。如混合物流動通路104所示，重整燃料和蒸汽的混合物在重整管102中的環(huán)形空間中循環(huán)流動。一般包含CO2、CO、H2、水和未燃燒的燃料的重整產(chǎn)物通過開口114排出重整器102。
圖7為另一種典型的重整器燃燒器130的上部示意圖，其中燃燒器和重整器相連接。燃燒器134是一種壓力容器，其中容器的剖面沿著如流動通路140所示的燃燒氣體的流動方向縮小。如圖7所示，當(dāng)圍繞中心線154旋轉(zhuǎn)360度時，燃燒器為一種環(huán)形結(jié)構(gòu)。圍繞同一中心線154旋轉(zhuǎn)360度，重整器132是另一種環(huán)形結(jié)構(gòu)。燃燒器134包括與重整器132緊密接觸的上襯148，和底襯160。燃燒器134進(jìn)一步包括預(yù)混合器150，所述預(yù)混合器150被構(gòu)造以具有端口，燃料和氧化劑可通過所述端口進(jìn)入燃燒器。在一些實施例中，預(yù)混合的燃料和氧化劑通過含有旋流器的噴嘴被注入到燃燒器134中，所述旋流器包括多個將轉(zhuǎn)動傳遞給進(jìn)入的氧化劑的旋流葉片，以及多個用于在旋轉(zhuǎn)的氧化劑流中分配燃料的燃料輻板(fuel spoke)。氧化劑146例如空氣，被用于燃燒和燃燒器134的底襯160的冷卻。燃料和氧化劑在燃燒器134內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)之前，在預(yù)混合燃料噴嘴內(nèi)的環(huán)形通路中進(jìn)行混合。重整器132包括用于引入蒸汽的通路131和用于引入重整燃料的通路158。重整燃料和蒸汽的混合物流動通過通路136，其中吸熱反應(yīng)(1)吸收從燃燒器134傳導(dǎo)到重整器132內(nèi)的熱量。所述熱能通過以傳導(dǎo)和對流方式進(jìn)行的徑向和軸向散熱從燃燒器134傳導(dǎo)至重整器132，由此冷卻燃燒器134的外襯148。重整器132進(jìn)一步包括催化劑床156，所述催化劑床156包含重整催化劑，例如鎳。重整產(chǎn)物通過流動通路138流出重整器132。燃燒器134的內(nèi)襯160利用一部分壓縮空氣146進(jìn)行冷卻，其中空氣142在位于燃燒器內(nèi)襯160和底殼162之間的環(huán)形空間144中循環(huán)流動。
在根據(jù)如上所述技術(shù)的不同實施例中，燃燒器的冷卻是通過燃料如天然氣的吸熱重整反應(yīng)實現(xiàn)的，這種冷卻使能夠共同產(chǎn)生氫和電能并且提高了整體系統(tǒng)效率。在吸熱重整過程中吸收的大量熱保證了燃燒器的襯里可以被冷卻，并且燃燒器的可操作性和火焰的穩(wěn)定性得以保持或改善。當(dāng)在共同產(chǎn)生系統(tǒng)中產(chǎn)生的氫的一部分被用作燃燒器的燃料時，其保證了NOX產(chǎn)量的明顯減少，這是因為當(dāng)氫含量高的燃料在燃燒器內(nèi)燃燒時可以實現(xiàn)較低的火焰溫度。在分離單元中二氧化碳在燃燒前的分離保證了其被隔離起來，并且限制了CO2向大氣中的排放。所披露的共同產(chǎn)生方法通過從產(chǎn)生電能到產(chǎn)生氫的過程中轉(zhuǎn)移一些廢熱改善了設(shè)備的整體性能，由此改善了設(shè)備的效率和可操作性。這里所披露的共同產(chǎn)生系統(tǒng)可以根據(jù)需要靈活地控制來自重整器的重整產(chǎn)物流中的氫產(chǎn)生量和電能的生成量。在所披露的共同產(chǎn)生系統(tǒng)中產(chǎn)生的氫可以多種方式加以利用。產(chǎn)生的氫可以再循環(huán)至燃燒器用作燃料以實現(xiàn)二氧化碳向大氣中的無排放。產(chǎn)生的氫可以儲存在氫存儲單元中，所述存儲單元可包括容器、缸或固體材料例如金屬氫化物。接著所產(chǎn)生的氫可以氣態(tài)形式或液態(tài)形式，例如借助液化設(shè)備進(jìn)行運輸。所產(chǎn)生的氫也可以用作包括一個或多個燃料電池的燃料電池系統(tǒng)的燃料，以生成附加能量。
為了實現(xiàn)本發(fā)明所要滿足的不同需要，已對本發(fā)明的不同實施例進(jìn)行了描述。應(yīng)該認(rèn)識到的是這些實施例僅僅是示例性地說明本發(fā)明不同實施例的原理。在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的條件下對本發(fā)明進(jìn)行的多種修改和變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，本發(fā)明旨在覆蓋在所附技術(shù)方案及其等效內(nèi)容所限定的范圍內(nèi)的所有適當(dāng)?shù)男薷暮妥兓问健?br> 表5實施例批號2軟磁合金粉的磁性能

表6實施例批號2軟磁合金粉的磁性能

權(quán)利要求
1.一種用于共同產(chǎn)生氫和電能的系統(tǒng)，包括重整器(4)，所述重整器被構(gòu)造用于接收重整器燃料(8)和蒸汽，并產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物(44)；與所述重整器(4)流體連通的分離單元(12)，其中所述分離單元(12)被構(gòu)造用于接收所述重整產(chǎn)物(44)，從所述重整產(chǎn)物(44)中分離氫并產(chǎn)生廢氣(18)；燃燒器(6)，所述燃燒器被構(gòu)造用于接收用來燃燒的燃料(10)，產(chǎn)生熱能和熱的壓縮氣體(22)，其中所述燃燒器(6)與所述重整器(4)相連接；和燃?xì)廨啓C(jī)(26)，所述燃?xì)廨啓C(jī)使所述熱的壓縮氣體(22)膨脹并產(chǎn)生電能和膨脹氣體(30)；其中至少一部分來自所述燃燒器(6)的所述熱能被用于在所述重整器(4)中生產(chǎn)所述重整產(chǎn)物(44)。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述廢氣(18)的至少一部分在分離氫后再循環(huán)回到所述重整器(4)。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述重整產(chǎn)物(44)進(jìn)一步包含一氧化碳、二氧化碳和所述重整器燃料。
4.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述分離單元(12)進(jìn)一步包括至少一個水氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器(56)，用以使一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳，產(chǎn)生富含氫和二氧化碳的氣流(60)。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括熱交換器(54)以產(chǎn)生蒸汽。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中從所述分離單元(12)產(chǎn)生的所述氫被用作所述燃燒器(6)的所述燃料。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括生成蒸汽的熱回收蒸汽發(fā)電機(jī)(HRSG)(32)和蒸汽輪機(jī)。
8.一種用于共同產(chǎn)生氫和電能的系統(tǒng)，包括重整器(4)，所述重整器被構(gòu)造用于接收重整器燃料和蒸汽，并產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物(44)；燃燒器(6)，所述燃燒器被構(gòu)造用于接收用來燃燒的燃料(10)，產(chǎn)生熱能和熱的壓縮氣體(22)，其中所述燃燒器(6)與所述重整器(4)相連接；與所述重整器(4)流體連通的分離單元(12)，其中所述分離單元(12)被構(gòu)造用于接收所述重整產(chǎn)物(44)，從所述重整產(chǎn)物(44)中分離氫并產(chǎn)生廢氣(18)，其中至少一部分來自所述燃燒器(6)的所述熱能被用于在所述重整器(4)中生產(chǎn)所述重整產(chǎn)物(44)；以及燃?xì)廨啓C(jī)(26)，所述燃?xì)廨啓C(jī)使所述熱的壓縮氣體(22)膨脹并產(chǎn)生電能和膨脹氣體(30)；其中至少一部分來自所述燃燒器(6)的所述熱能被用于在所述重整器(4)中生產(chǎn)所述重整產(chǎn)物(44)，并且所述分離單元(12)被構(gòu)造用于從所述重整產(chǎn)物(44)中分離二氧化碳，并使所述廢氣(18)的至少一部分再循環(huán)至所述重整器(4)。
9.一種用于共同產(chǎn)生氫和電能的方法，包括以下步驟在重整器(4)中對重整器燃料和蒸汽的混合物進(jìn)行重整，產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物(44)；從所述重整產(chǎn)物(44)中分離氫并產(chǎn)生廢氣(18)；在燃燒器(6)中燃燒燃料，產(chǎn)生熱能和熱的壓縮氣體(22)，其中所述燃燒器(6)與所述重整器(4)相連接；以及在燃?xì)廨啓C(jī)(26)中使所述熱的壓縮氣體(22)膨脹，并產(chǎn)生電能和膨脹氣體(30)；其中至少一部分來自所述燃燒器(6)的所述熱能被用于在所述重整器(4)中生產(chǎn)所述重整產(chǎn)物(44)。
10.一種燃燒器重整器系統(tǒng)，包括燃燒器(6)，所述燃燒器被構(gòu)造用于接收用來進(jìn)行燃燒的燃料和氧化劑，并產(chǎn)生熱的壓縮氣體(22)和熱能，以及與所述燃燒器(6)緊密接觸的重整器(4)，所述重整器(4)被構(gòu)造用于接收重整器燃料和蒸汽，產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物(44)；其中所述重整器(4)與所述燃燒器(6)相連接，并且至少一部分來自所述燃燒器(6)的所述熱能被用于在所述重整器(4)中生產(chǎn)所述重整產(chǎn)物(44)。
全文摘要
一種用于共同產(chǎn)生氫和電能的系統(tǒng)，包括重整器(4)，所述重整器被構(gòu)造以接收重整器燃料和蒸汽并產(chǎn)生富氫的重整產(chǎn)物(44)。該系統(tǒng)進(jìn)一步包括與所述重整器(4)流體連通的分離單元(12)，其中所述分離單元(12)被構(gòu)造以接收所述重整產(chǎn)物(44)，從所述重整產(chǎn)物(44)中分離氫并產(chǎn)生廢氣(18)。該系統(tǒng)還包括燃燒器(6)，所述燃燒器被構(gòu)造以接收用于進(jìn)行燃燒的燃料(10)，并產(chǎn)生熱量和熱壓縮氣體(22)，其中燃燒器(6)與重整器(4)相連接。燃?xì)廨啓C(jī)(26)使所述熱壓縮氣體(22)膨脹，并產(chǎn)生電能和膨脹氣體(30)；其中至少一部分來自燃燒器(6)的熱能被用于在重整器(4)中生產(chǎn)重整產(chǎn)物(44)。
文檔編號F01K23/10GK1676460SQ20051005955
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月29日
發(fā)明者C·巴蘭, A·科利巴巴-埃烏萊特 申請人:通用電氣公司