專利名稱：同時生產(chǎn)電能、熱能形式的能量和氫氣的方法和設(shè)備的制作方法
同時生產(chǎn)電能、熱能形式的能量和氫氣的方法和設(shè)備 本發(fā)明涉及基于合成氣和/或天然氣的同時生產(chǎn)電能、熱能形式的能量和氫氣的方法和設(shè)備，所述合成氣和/或天然氣轉(zhuǎn)而可以衍生自許多主要能源。
背景技術(shù)：
世界上對電力、熱和氫的需求在可預(yù)見的未來將是基于氣體、液體或固體化石燃料。因此國際上對全球變暖的關(guān)注將逐漸集中在碳捕集與封存(CCS)。因此開發(fā)環(huán)境友好、成本和能量有效的技術(shù)(包括CCS問題處理)是不可避免的。在這方面的主要挑戰(zhàn)之一是超重油和浙青的回收和提質(zhì)。因?yàn)榛茉葱枨蟮耐瑫r全球增加和常規(guī)資源的減少，油品工業(yè)將轉(zhuǎn)向非常規(guī)來源。在這方面應(yīng)提及的是，全世界堆積大于40000億桶的超重油(EHO)和浙青。從例如焦油砂將這些資源進(jìn)行回收和提質(zhì)是非常耗能且對環(huán)境具有強(qiáng)烈影響的方法。
在焦油砂工業(yè)中天然氣至今為止主要用于產(chǎn)生蒸汽(例如用于SAGD (蒸汽輔助重力泄油))、電力和產(chǎn)生用于提質(zhì)處理的氫氣。然而對長期天然氣成本和供給的顧慮激發(fā)經(jīng)營者對于未來項(xiàng)目考慮基于氣化的能量生產(chǎn)。商業(yè)浙青提質(zhì)方法產(chǎn)生高硫石油焦浙青質(zhì)副產(chǎn)物，其通常為堆料?？蓪⑦@些機(jī)會燃料(如果必要，以及煤和/或浙青的未處理的部分)氣化以產(chǎn)生氫氣、電力和蒸汽，因此潛在地消除對貴重天然氣的需要。第一個這樣的基于氣化的系統(tǒng)是在加拿大的Alberta，當(dāng)前處于建造進(jìn)展階段。Opti-Nexen Canada, Inc.所擁有的Long Lake項(xiàng)目是完全整合的由浙青質(zhì)殘余物的氣化供以燃料的浙青抽提和提質(zhì)設(shè)施。(G. Ordorica-Garcia等，Energy ProcediaI(2009) 3977-3984: CO2Capture Retrofit Options for a Gasification-basedIntegrated Bitumen Extraction and Upgrading Facility)。氣化單兀提供提質(zhì)所需的氫氣和用于在聯(lián)產(chǎn)設(shè)備中產(chǎn)生功率(power)和蒸汽的合成氣燃料，從而產(chǎn)生幾乎完全能量自足的操作。然而，天然氣和/或合成氣的使用導(dǎo)致大量CO2釋放到大氣中，從而促成全球變暖。至今為止，CCS技術(shù)在油砂工業(yè)中的應(yīng)用主要涉及生產(chǎn)氫氣和電能的設(shè)備，因?yàn)樗鼈兪荂O2的最大點(diǎn)源。將來整合的基于氣化的設(shè)備(生產(chǎn)合成氣、蒸汽、電力和氫氣(用于提質(zhì)))還必將遇到CCS挑戰(zhàn)。在這樣的情形中，如果CO2捕集基于當(dāng)今可利用的技術(shù)，則這將對資金和操作費(fèi)用、以及設(shè)備性能(特別是如果需要加以改造時)具有很大影響。Lackner等就“Hydrogen Production From Carbonaceous Material，，申請了方法和設(shè)備專利，即WO 01/42132A1。所述設(shè)備在氣化容器中進(jìn)行煤的加氫氣化。該工藝階段之后接著是在碳酸化容器中使用氧化鈣碳酸化反應(yīng)驅(qū)動的由甲烷和水產(chǎn)生氫氣。這種工藝通常稱作通過吸附強(qiáng)化水蒸氣甲烷重整(SE-SMR)產(chǎn)生氫氣。在該氣化步驟(Lackner等)中用氫氣將煤(或合成氣)加氫以產(chǎn)生主要由甲烷組成的氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物。將這種氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物輸送到碳酸化容器，于此使其與水和氧化鈣反應(yīng)以產(chǎn)生氫氣和固體碳酸鈣以及從產(chǎn)物氣體料流除去二氧化碳。Lackner等的方法沒有例如為SAGD提供額外的熱。因此該方法缺乏許多有關(guān)應(yīng)用所需要的通用性。此外在SE-SMR-過程中捕集該方法系統(tǒng)的所有C02。在需要大量外部熱量兼以必需量的氫氣和電能的應(yīng)用中，例如在焦油砂工業(yè)中，這可能不是成本有效的。公布WO 2004/025767 (Vik等)公開了由含烴流產(chǎn)生電的設(shè)備。根據(jù)一個實(shí)施方案，SOFC用于產(chǎn)生電。該方法涉及燃料重整以產(chǎn)生氫氣然后將其與其它組分分離以使用純氫氣作為去往燃料電池的進(jìn)料?？梢詫⒅卣陂g產(chǎn)生的CO2進(jìn)行捕集用于后續(xù)使用或儲存。Vik等的方法是針對其中不需要過量熱并且其中聯(lián)產(chǎn)電和氫的高效率是唯一主要目的的應(yīng)用。因此需要集中在能量優(yōu)化、CO2-捕集和地下儲存或使用(例如E0R)的新技術(shù)，優(yōu)選顛覆性(game change)技術(shù)。 目的因此本發(fā)明的目的是提供允許成本和能量有效地持續(xù)從重油和浙青回收和生產(chǎn)能量以及以工業(yè)規(guī)模從生物質(zhì)和有機(jī)廢物持續(xù)生產(chǎn)能量的方法。隨之而來的目的為上述提供了設(shè)備，該設(shè)備提供有效的二氧化碳捕集和封存并且允許高度通用性地生產(chǎn)以電、氫氣和熱形式的能量。在該方面“通用性(versatility)”應(yīng)理解為這些能量形式的量的比率可以在寬范圍內(nèi)通過本發(fā)明方法中參數(shù)的簡單改變而改變。

發(fā)明內(nèi)容
上述提及的目的通過如權(quán)利要求I所限定的根據(jù)本發(fā)明的方法得以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)另一個方面，本發(fā)明涉及如權(quán)利要求16所限定的用于實(shí)施該方法的設(shè)備。從屬權(quán)利要求公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。通常應(yīng)注意的是，當(dāng)提及“燃料電池”、“S0FC”或“至少一個燃料電池或S0FC”時，在工業(yè)情形中可以是許多燃料電池堆疊體。雖然“天然氣”一般是指采收自地下地層的富甲烷氣體，但是在上下文中此處給出的“天然氣”意欲涵蓋任何富甲烷氣體而與其來源無關(guān)。應(yīng)注意的是，術(shù)語“一次S0FC”并不必須意味著在根據(jù)本發(fā)明的方法或設(shè)備中涉及另一個SOFC。另一個(二次)SOFC的存在是本發(fā)明的可選特征。此外應(yīng)注意的是，CO2的成本有效捕集是本發(fā)明技術(shù)具有的主要優(yōu)點(diǎn)并且在當(dāng)今環(huán)境狀況中CO2捕集明顯包括在基于本發(fā)明的任何工業(yè)設(shè)備中。然而，因?yàn)榄h(huán)境狀況隨時間卻可以改變，并且因?yàn)樵诰哂谢虿痪哂蠧O2捕集情況下該創(chuàng)新性方法是有益的，所以該特征關(guān)于所言的SOFC單元仍是任選的特征。本發(fā)明的技術(shù)代表這種顛覆性技術(shù)并將為上述給出的目的作出主要貢獻(xiàn)。本發(fā)明的概念都是基于兩個主要“組成部分”；I. SOFC熱電聯(lián)產(chǎn)(CHP)設(shè)備，(直接)基于合成氣或天然氣。2.具有整合的基于合成氣(CO變換反應(yīng))或基于天然氣(SE-SMR反應(yīng)；吸附強(qiáng)化水蒸氣甲烷重整)的CO2捕集(固體CO2吸收劑(例如CaO))的氫氣生產(chǎn)單元。這兩個組成部分為以下提供熱氣化單元(產(chǎn)生合成氣)，用于SAGD的蒸汽，氫氣生產(chǎn)單元(CO2吸收劑的再生)和提質(zhì)裝置(upgrader),用于總生產(chǎn)設(shè)施內(nèi)部使用和向地區(qū)電網(wǎng)出售的電，以及用于提質(zhì)裝置(將浙青由SAGD提質(zhì)為合成原油或更為精制的產(chǎn)品)的氫氣?？梢园磧煞N或三種不同方式捕集CO2 ;a)直接從SOFC堆疊體(通過在純氧中燃燒“補(bǔ)燃器(afterburner)”氣體,能量效率僅降低2-3%)，b)通過由合成氣制備氫氣。在后種情形中，通過整合在CO變換反應(yīng)中的CO2吸收劑(例如CaO)捕集C02。在再生反應(yīng)(CaCO3煅燒為CaO和CO2 (用于儲存或使用))中釋放純C02。在該情況下氫氣部分用于進(jìn)料到SOFC用于產(chǎn)生熱和電而部分用于提質(zhì)裝置。 c)通過a)和b)的組合捕集C02。實(shí)際上這可能是優(yōu)選的最為成本有效的解決方案。下面參考附圖
描述本發(fā)明的不同實(shí)施方案，其中圖Ia-C是本發(fā)明原理的示意圖，不受應(yīng)用限制，圖2a是本發(fā)明原理的示意圖，主要能量源為天然氣，圖2b顯示了圖2a所示方法的變化形式，圖2c顯示了圖2a所示方法的另一個變化形式，圖2d顯示了圖2a所示方法的又一個變化形式，圖3a是本發(fā)明在一個應(yīng)用中的示意性圖解，其中重油/浙青是主要能量源，圖3b顯示了圖3a的分布式變化形式，圖4是本發(fā)明在一個應(yīng)用中的示意性圖解，其中生物質(zhì)是主要能量源，圖5是本發(fā)明在另一個應(yīng)用中的示意性圖解，其中生物質(zhì)是主要能量源。圖Ia-C總體上描述了在整合的成本和能量有效的CO2捕集情況下靈活生產(chǎn)三種能量組分即電、熱和氫氣的原理。圖Ia顯示了將含碳燃料進(jìn)料到氣化單元，用來自設(shè)備的熱加熱，其中將所述裝料轉(zhuǎn)化為合成氣。在純化后根據(jù)有關(guān)需求，將合成氣分成第一和第二進(jìn)料氣體流。這二者之比由相關(guān)應(yīng)用且特別由在內(nèi)部和外部對氫氣的要求所確定。將第一進(jìn)料氣體流導(dǎo)向燃料電池以產(chǎn)生電和熱。本領(lǐng)域技術(shù)人員可容易地知道應(yīng)當(dāng)將空氣進(jìn)料到燃料電池(SOFC)的一個電極并同時將燃料進(jìn)料到另一個電極。CO2也產(chǎn)生于燃料電池中并以下文更為充分描述的方式被捕集。值得注意的是，根據(jù)本發(fā)明方法，CO2捕集僅使效率降低2-3%，相比之下較為常規(guī)方法降低5-10%。CO2的后續(xù)使用或處置不是本發(fā)明的一部分。將第二進(jìn)料氣體流導(dǎo)向生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)，該反應(yīng)器系統(tǒng)在本實(shí)施方案中由兩個串聯(lián)的反應(yīng)器表示。在這兩個反應(yīng)器的第一個中，將將合成氣的CO部分通過與水和催化劑/吸收劑系統(tǒng)的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為氫氣。在所示實(shí)施方案中，催化劑/吸收劑是CaO，使CaO反應(yīng)得到CaCO3從而吸收反應(yīng)中生成的任何C02。第二步驟是吸收劑再生步驟，吸收劑通過釋放CO2而轉(zhuǎn)化回到CaO。無需多說，由此釋放的CO2應(yīng)該保持隔離用于隨后使用。生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的再生步驟典型地在比氫氣生產(chǎn)步驟更高的溫度和/或在更低的壓力下進(jìn)行。凈反應(yīng)可以寫作
Ca0+C0+H20=CaC03+H2 (氫氣生產(chǎn)步驟)CaCO3=CaCHCO2 (吸收劑再生步驟)C0+H20=H2+C02 (總過程)在氫氣生產(chǎn)單元中，在反應(yīng)器(反應(yīng)器I)中通過CO變換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，其中在一個處理步驟中，CO2被CO2-吸收劑(由CaO例示)捕集從而產(chǎn)生幾乎純的氫氣(95%+)(對于大多數(shù)工業(yè)目的，可以不需要?dú)錃獾倪M(jìn)一步提質(zhì))。在再生反應(yīng)器(反應(yīng)器2)中于高溫下(T=850-900°C )進(jìn)行吸收劑的再生，其中釋放出純的CO2用于儲存或使用。將再生的吸收劑移回到氫氣生產(chǎn)單元。兩個反應(yīng)器(I和2)即氫氣生產(chǎn)反應(yīng)器和再生反應(yīng)器可以由兩個流化床反應(yīng)器組成，其中一個反應(yīng)器專用于氫氣生產(chǎn)(反應(yīng)器I)而另一個反應(yīng)器專用于CO2吸收劑的再生(反應(yīng)器2)。關(guān)注圖lb。作為替代方案，生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的兩個反應(yīng)器可以是兩個并聯(lián)反應(yīng)器(固定床反應(yīng)器)而不是兩個串聯(lián)反應(yīng)器(流化床反應(yīng)器)。兩個串聯(lián)反應(yīng)器的使用允許在每個反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)和恒定穩(wěn)態(tài)條件，而且要求必須將固體在所述反應(yīng)器之間循環(huán)。如果反應(yīng)器并聯(lián)運(yùn)行，它們分別以生產(chǎn)模式和吸收劑再生模式間歇地(intermittingly)使用。溫度以及可能還有壓力將必須來回地改變，但是避免了使固體材料循環(huán)的需要。根據(jù)圖lb，在反應(yīng)器I和反應(yīng)器2之間不存在吸收劑的轉(zhuǎn)移。替代地，這些反應(yīng)器間歇運(yùn)行。在一個時段內(nèi)反應(yīng)器I用于氫氣生產(chǎn)而吸收劑在反應(yīng)器2中進(jìn)行再生。在接下來的時段內(nèi)則情況反過來。生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的兩個步驟均需要熱，并且用SOFC中生成的熱進(jìn)行加熱。來自SOFC的熱還用于加熱氣化單元。如果在外部或內(nèi)部對氫氣的需求存在暫時下降，則可以快速改變第一和第二進(jìn)料氣體流之間的比率。作為一種選擇，在(至少一個)燃料電池中還可以使用所產(chǎn)生的氫氣的一部分來產(chǎn)生熱和電。將燃料電池的CO2捕集設(shè)置成通過在純氧中燃燒來自燃料電池的陽極廢氣中的剩余部分燃料來進(jìn)行。因此廢氣僅含有CO2和水蒸氣。后者可通過冷凝或其它干燥方法除去，從而使廢氣流中剩下純co2。氧氣可通過使用氧氣泵(電化學(xué)驅(qū)動氧氣轉(zhuǎn)移透過膜)或受空氣廢氣和燃料廢氣之間的分壓梯度驅(qū)動的氧氣轉(zhuǎn)移膜獲得。如圖Ia和圖Ib的左側(cè)所示,從設(shè)備分配出過量能量用于外部消費(fèi)。其還顯示出將過量的能量從氫氣生產(chǎn)反應(yīng)器轉(zhuǎn)移到氣化單元。圖Ic顯示了相當(dāng)類似于圖Ib的實(shí)施方案，唯一區(qū)別是SOFC將所有熱提供給氣化單元，而將來自生成氫氣的反應(yīng)器的過量熱輸送到外部。圖2a顯示了類似于圖I的實(shí)施方案，但是其中設(shè)備的主要能量源是天然氣，主要是甲烷，且因此其中氣化單元用設(shè)置成將甲烷轉(zhuǎn)化為合成氣的重整器單元替換。圖2a的所有其它特征類似于圖I。當(dāng)從天然氣開始時，則獲得富氫合成氣。將熱從SOFC供給到生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的再生反應(yīng)器，供給到重整單元以及用于外部輸送。來自重整器單元的過量熱也可以輸送到外部。圖2b顯示了圖2a的實(shí)施方案，其中不同單元之間的熱傳輸稍微不同而方法原理保持相同意義，即方法中內(nèi)部所需的熱由燃料電池產(chǎn)生。此處將來自生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)(其生產(chǎn)反應(yīng)器)的過量熱供給到重整單元。圖2c顯示了根據(jù)本發(fā)明方法的又一個變化形式，其中天然氣是主要能量源。然而，在該情況下，將天然氣照原樣進(jìn)料到生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)而將重整器單元設(shè)置成僅將第一進(jìn)料氣體流轉(zhuǎn)化為合成氣。再次將來自燃料電池的熱用于加熱重整器單元和生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的吸收劑再生部分。產(chǎn)生氫氣所需的熱可以僅由暖熱的再生的吸收劑和放熱的吸收劑反應(yīng)供給。圖2d顯示了根據(jù)本發(fā)明方法的又一個變化形式，其中天然氣是主要能量源。此處將天然氣照原樣進(jìn)料到燃料電池和生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)。因此，根據(jù)該變化形式的方法中不涉及合成氣。熱傳輸通常是相同的，但是在該情況下不涉及重整器單元，至少在所述設(shè)備附近不涉及。左邊顯示了用于外部用途的過量能量的組分。在2a_2d中所示的所有變化形式中，生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)可以是以穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的流化床反應(yīng)器或間歇地運(yùn)行的固定床反應(yīng)器。在所有變化形式中，來自SOFC的CO2直接從堆疊體捕集并同時來自生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的CO2被吸收劑捕集和在再生單元中釋放出。在上文給出了本發(fā)明的核心內(nèi)容的同時,在下文描述一些相關(guān)應(yīng)用。 存在許多工業(yè)情況,或整合的產(chǎn)業(yè)群(industry cluster),其中需要靈活的成本量和能量有效的熱、電力和氫氣生產(chǎn)。在這樣的情形中，主要挑戰(zhàn)是同時獲得成本和能量有效的CO2捕集。本發(fā)明滿足這種挑戰(zhàn)。石油精煉廠以及焦油砂工業(yè)中整合的生產(chǎn)和提質(zhì)設(shè)備是該方面明顯情形的實(shí)例。除涉及化石能源(和原料)生產(chǎn)的應(yīng)用外，還存在的所關(guān)注的應(yīng)用與不同生物源的燃料/原料的使用有關(guān)。為對此加以說明，下面參照附圖3-5給出三個不同的可能方案(或?qū)嵗?。這些方案都基于在具有整合的CO2捕集情況下以靈活的量生產(chǎn)和使用電、熱和氫氣，其可以就任何目的或需要進(jìn)行定制。然而，應(yīng)該指出本發(fā)明的方案僅為實(shí)例，使用本發(fā)明所遵循的可能性、組合和靈活度，對于整合的產(chǎn)業(yè)群，或者對于其中若干工廠情況“關(guān)聯(lián)”在一起的情況(其中來自一個工廠設(shè)施(set up)或應(yīng)用的廢料可以為另一個提供具有有關(guān)價值的原料)，給出幾乎“無限制”的選擇。圖3a顯示了雖然非常示意性但是更為完整的應(yīng)用系統(tǒng)，由重油/浙青或焦油砂(此后縮寫為浙青)作為主要能量源開始。如本領(lǐng)域技術(shù)人員會知道的是，將浙青帶到地面存在挑戰(zhàn)，以及需要熱(可能為蒸汽形式)以從地下回收浙青。一種這樣的方法稱作SAGD(蒸汽輔助重力泄油)。將所回收的浙青在提質(zhì)單元中進(jìn)行提質(zhì)并將中間產(chǎn)物石油焦加入氣化單元(如圖I中的一種)以獲得合成氣。因此，在該情形中，在獲得待進(jìn)料到燃料電池的氣體之前需要有三個需求能量步驟。該方法的核心內(nèi)容依然相同并且所提及的內(nèi)部步驟所需要的熱由(至少一個)燃料電池提供。用于提質(zhì)單元的氫由生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)提供。該系統(tǒng)描述了所涉及能量組分的一個較為復(fù)雜的用途(也在內(nèi)部)，因此說明了該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是關(guān)于其內(nèi)在能力是通用的，所述內(nèi)在能力是就一個和相同應(yīng)用而言，根據(jù)有關(guān)應(yīng)用或甚至根據(jù)隨時間而改變的需要而內(nèi)在地適應(yīng)或改變能量組分之間的比率。應(yīng)注意的是，根據(jù)該實(shí)施方案/應(yīng)用，本發(fā)明允許由相當(dāng)廉價的原料可持續(xù)地生產(chǎn)能量。焦油砂方案的一種可能的形式可以使分配的熱、電和氫氣生產(chǎn)量就井口注射(SAGD)和產(chǎn)業(yè)群中的需要而定制作出。用于分配單元的合成氣由中心設(shè)備供給(圖3a)。分配單元的氫氣生產(chǎn)(如果需要)可以是有限的或者是少的(例如10-0%)。氫氣可用于原位提質(zhì)(如例如在WO 2008/058400 Al C atalytic down-hoIe upgrading of heavy oilsand bitumen中)，用于給發(fā)電專用SOFC-堆疊體供以燃料或者在管線系統(tǒng)中輸送到中心設(shè)備內(nèi)的提質(zhì)裝置。應(yīng)注意，在所形成的石油焦沒有以足以使工藝運(yùn)行的量生成的情形中，可以將其與其它含碳燃料，例如煤、未處理的浙青、生物質(zhì)或甚至天然氣合并。圖3b類似于圖3a，但是不包括整個“圖”。圖3b所描述的要點(diǎn)是根據(jù)有關(guān)需要可以將設(shè)備的各部分(子設(shè)備)分配到局部位置(site)，而其它部分，具體是提質(zhì)單元、氣化單元和純化單元(圖3b中未示)可以分別設(shè)置在中心位置并且服務(wù)于任意數(shù)目的所分配的子設(shè)備例如圖3b中所示的設(shè)備。圖4描述了具有整合的“生物煉廠”方案的獨(dú)立生物能量設(shè)備。圖4顯示了根據(jù)本發(fā)明的聯(lián)合生產(chǎn)電力、熱和氫氣的設(shè)備如何能夠提供用于區(qū)域 (district)加熱(和如果需要時用于熱解設(shè)備)所必需的熱，用于總的生物能量/生物煉廠位置的電，以及用于提質(zhì)目的(生產(chǎn)有機(jī)化學(xué)品和生物柴油)、生產(chǎn)生物甲醇和用于將氫氣供給到運(yùn)輸部門的氫氣。所捕集的CO2可以用于生產(chǎn)生物甲醇，為運(yùn)輸部門或任何其它合適用途提供CO2中性燃料。合成氣和固體碳以及必需的生物質(zhì)為能量、氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)供以燃料。生物質(zhì)還可以是用于熱解設(shè)備的原料。捕集所有的生物CO2，如果以可持續(xù)的方式使用，或者如果將其儲存則給出雙倍“附加益處(bonus) ”。在圖4最左邊三欄中進(jìn)行的單獨(dú)過程未被詳細(xì)解釋，這是因?yàn)樗鼈儽旧聿皇潜景l(fā)明的一部分。在本上下文中重要的是根據(jù)本發(fā)明的方法如何通過提供所需合適量的上文若干次提及的三種形式的能量而使這些過程緊密相互作用。圖5描述了整合在生物氣生產(chǎn)設(shè)備中的獨(dú)立能量和氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)。圖5顯不了根據(jù)本發(fā)明的聯(lián)合生產(chǎn)電力、熱和氫氣的設(shè)備，如何基于來自生物氣和/或來自獨(dú)立能量和氫氣生產(chǎn)系統(tǒng)的CO2，可以提供用于有機(jī)廢物/污泥的初始加熱、用于干燥目的和其它原位(on the site)應(yīng)用必需的熱，用于總生物氣生產(chǎn)位置(包括從生物氣捕集CO2的必需電能)和用于地區(qū)電網(wǎng)出售的電，以及用于生產(chǎn)生物甲醇的氫氣。生物甲烷(來自生物氣)可以用于氫氣生產(chǎn)。然而，如果將CO2從生物氣分離出來用于生產(chǎn)車輛級甲烷，則這種甲烷將最有可能直接用于運(yùn)輸部門。用于能量氫氣生產(chǎn)設(shè)備的燃料或合成氣可由合適的生物質(zhì)制備。再次地，捕集所有的生物CO2，如果使用或儲存則給出雙倍“附加益處”。又再次地，該圖左手邊的單獨(dú)過程在此未被詳細(xì)解釋，這是因?yàn)樗鼈儽旧聿皇潜景l(fā)明的一部分。在本上下文中受關(guān)注的部分是根據(jù)本發(fā)明的方法適應(yīng)需要能量的工藝單元的這種復(fù)雜系統(tǒng)的能力，從而提供可持續(xù)的每個過程所需形式的能量輸送。根據(jù)本發(fā)明的基于氣化整合的浙青抽提和提質(zhì)設(shè)施的總生產(chǎn)設(shè)備可因此實(shí)現(xiàn)為任何重油/浙青方案定制的必需量的熱、電和氫氣的最佳組合。總過程在具有非常能量有效的整合CO2捕集情況下還基于來自氣化的石油焦/提質(zhì)殘余物(或未處理的浙青)的合成氣而能量自足。此外應(yīng)注意，總系統(tǒng)的靈活性或通用性還適用于其中煤、生物質(zhì)和有機(jī)廢物，或用于該事項(xiàng)的任何其它含碳材料構(gòu)成主要能量源的應(yīng)用。在本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施方案中，含碳?xì)怏w是合成氣。在其它優(yōu)選實(shí)施方案中，含碳?xì)怏w是天然氣或其它富甲烷氣體。合成氣和/或天然氣可以衍生自任何來源，但是優(yōu)選至少部分由重油、浙青或其它含碳燃料的回收和提質(zhì)得到，其中提質(zhì)所需的熱至少部分由至少一個SOFC提供。所提及的提質(zhì)通常涉及氣化。取決于生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)中所用吸收劑的類型，通常將水隨進(jìn)料氣體一起進(jìn)料到該反應(yīng)器系統(tǒng)中，盡管在加入該反應(yīng)器系統(tǒng)之前沒有將這兩種所需之物合并或混合。生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的再生 反應(yīng)器所需的熱一般至少部分由至少一個SOFC提供。在一些實(shí)施方案中，合成氣至少部分衍生自生物質(zhì)，或者其可以通過將天然氣重整制得。在一些實(shí)施方案中，含碳?xì)怏w是富含甲烷(“天然氣”)的氣體，該氣體衍生自生物質(zhì)和有機(jī)廢物來源中的一種或多種。在一些實(shí)施方案中加入到一次SOFC的那部分天然氣可以首先被重整為合成氣。為了獲得該方法的所需通用性，第一進(jìn)料氣體流和第二進(jìn)料氣體流之間的比率根據(jù)有關(guān)應(yīng)用中對氫氣的需要來決定。生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)選自a)包含兩個并聯(lián)反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)，每個反應(yīng)器分別以生產(chǎn)模式和吸收劑再生模式間歇地操作，和b)包含兩個串聯(lián)反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)，第一反應(yīng)器以生產(chǎn)模式連續(xù)地操作，第二反應(yīng)器以吸收劑再生模式連續(xù)地操作。生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)的生產(chǎn)模式中的溫度典型地維持在500-650°C。吸收劑再生模式中的溫度典型地維持在800-950°C。吸收劑再生模式中的壓力維持在比生產(chǎn)模式中的壓力更低的水平。在本發(fā)明的優(yōu)選形式中，通過與單獨(dú)氫氣生產(chǎn)單元(基于作為進(jìn)料的合成氣)組合的直接以合成氣為燃料的“熱電聯(lián)產(chǎn)”(CHP) SOFC設(shè)備來輸送必需的熱、電力和氫氣。在氫氣生產(chǎn)單元中用CO2-吸收劑(例如CaO)捕集CO2,而來自CHP-SOFC的CO2通過能量和成本有效的后燃燒方法進(jìn)行捕集。(可選的形式是用氫氣為SOFC-堆疊體專用部分提供燃料或進(jìn)料)。定量實(shí)施例通過如下顯示，下表說明了本發(fā)明方法的通用性，
權(quán)利要求
1.一種由含碳?xì)怏w同時生產(chǎn)電能、氫氣和熱能形式的能量的方法，其特征在于包括 .1.將含碳?xì)怏w原料連續(xù)地分成第一進(jìn)料氣體流和第二進(jìn)料氣體流， ii.將第一進(jìn)料氣體流加入一次SOFC中以產(chǎn)生電、熱和CO2, iii.將另一進(jìn)料氣體流加入生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)中以產(chǎn)生氫氣和CO2, iv.任選地將所生成的氫氣的至少一部分加入二次SOFC中以產(chǎn)生電和熱，從而減少凈生成的氫氣， V.將至少一個SOFC中產(chǎn)生的熱至少部分地供給到所述生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)， vi.任選地通過在純氧中燃燒“補(bǔ)燃器”氣體來捕集一次SOFC中生成的CO2并對廢氣進(jìn)行干燥， vii.通過使用吸收劑捕集所述生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)中生成的C02。
2.如權(quán)利要求I中所要求的方法，其特征在于所述含碳?xì)怏w是合成氣。
3.如權(quán)利要求2中所要求的方法，其特征在于所述合成氣至少部分由重油、浙青或其它含碳燃料的回收和提質(zhì)得到，其中提質(zhì)所需的熱至少部分由至少一個SOFC提供。
4.如權(quán)利要求3中所要求的方法，其特征在于對來自提質(zhì)的其余產(chǎn)物進(jìn)行氣化。
5.如權(quán)利要求3中所要求的方法，其特征在于將水隨其它進(jìn)料氣體流一起進(jìn)料到所述生成氫氣的反應(yīng)器。
6.如權(quán)利要求2中所要求的方法，其特征在于所述合成氣至少部分衍生自生物質(zhì)。
7.如權(quán)利要求2中所要求的方法，其特征在于所述合成氣通過將天然氣重整進(jìn)行制備，重整所需的熱至少部分由至少一個SOFC提供。
8.如權(quán)利要求I中所要求的方法，其特征在于所述含碳?xì)怏w是富含甲烷的氣體且優(yōu)選是天然氣。
9.如權(quán)利要求7或8中所要求的方法，其特征在于所述氣體衍生自生物質(zhì)和有機(jī)廢物來源中的至少一種。
10.如權(quán)利要求7中所要求的方法，其特征在于首先將加入到一次SOFC的那部分天然氣重整為合成氣，重整所需的熱至少部分由至少一個SOFC提供。
11.如前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所要求的方法，其特征在于第一進(jìn)料氣體流和第二進(jìn)料氣體流之間的比率根據(jù)有關(guān)應(yīng)用中對氫氣的需要確定。
12.如權(quán)利要求I中所要求的方法，其特征在于所述生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)選自a)包含兩個并聯(lián)反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)，每個反應(yīng)器分別以生產(chǎn)模式和吸收劑再生模式間歇地操作，和b)包含兩個串聯(lián)反應(yīng)器的反應(yīng)器系統(tǒng)，第一反應(yīng)器以生產(chǎn)模式連續(xù)地操作，第二反應(yīng)器以吸收劑再生模式連續(xù)地操作。
13.如權(quán)利要求12中所要求的方法，其特征在于生產(chǎn)模式中的溫度維持在500-650°C。
14.如權(quán)利要求12中所要求的方法，其特征在于吸收劑再生模式中的溫度維持在800-950。。。
15.如權(quán)利要求12中所要求的方法，其特征在于吸收劑再生模式中的壓力維持在比生產(chǎn)模式中的壓力更低的水平。
16.由含碳?xì)怏w同時生產(chǎn)電能、氫氣和熱能形式的能量的設(shè)備，其特征在于包括 -供給含碳?xì)怏w的裝置， -將含碳?xì)怏w分成相對量可變的兩個部分的裝置，-設(shè)置成接收選自合成氣和天然氣的氣體以產(chǎn)生電、熱和CO2的S0FC，-即刻捕集SOFC中生成的CO2的裝置，-與SOFC并聯(lián)設(shè)置的生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)，-在內(nèi)部和外部分配SOFC產(chǎn)生的熱的裝置， -在內(nèi)部和外部分配SOFC產(chǎn)生的電的裝置，-分配所產(chǎn)生的氫氣的裝置，-處理所捕集的CO2的裝置，-任選的設(shè)置成接收氫氣以產(chǎn)生電和熱的另一個S0FC。
全文摘要
由含碳?xì)怏w可持續(xù)地同時生產(chǎn)電能、氫氣和熱能形式的能量的方法和設(shè)備，所述方法包括i.將含碳?xì)怏w原料連續(xù)地分成第一進(jìn)料氣體流和第二進(jìn)料氣體流，ii.將第一進(jìn)料氣體流加入一次SOFC中以產(chǎn)生電、熱和CO2，iii.將另一進(jìn)料氣體流加入生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)中以產(chǎn)生氫氣和CO2，iv.至少部分地用至少一個SOFC中產(chǎn)生的熱加熱所述生成氫氣的系統(tǒng)，v.任選地通過在純氧中燃燒“補(bǔ)燃器”氣體來捕集一次SOFC中生成的CO2和對廢氣進(jìn)行干燥，vi.通過使用吸收劑捕集所述生成氫氣的反應(yīng)器系統(tǒng)中生成的CO2。
文檔編號B01D53/62GK102762493SQ201080061706
公開日2012年10月31日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月22日
發(fā)明者A·威克, A·拉黑姆 申請人:Zeg動力股份公司