专利名称：用于氢电联产的系统和方法
背景技术：
本发明涉及用于氢电联产的系统和方法。更具体地说，本发明涉及利用富集-燃烧-骤冷-转化设备生产富含氢的燃料气，并将该富含氢的燃料气用于氢电联产。
已知燃料气在某些情况下是燃气轮机的一种合适燃料来源。典型地，这类燃料气是利用催化燃烧法在约400℃～约800℃的温度范围内产生的。有利地，这些温度足够低以使氮氧化物的形成最少。但这些低的温度和压力不足以为涡轮机提供动力，因此必须用辅助燃烧室为涡轮机提供动力。在某些催化燃烧法中，将原料气和空气预混以形成一种混合物，该混合物在包含也表现出蒸汽转化活性的燃烧催化剂的燃烧区内燃烧。在燃烧区内发生混合物的部分燃烧和转化，从而形成热的转化气流。该热转化气流的一部分再循环回到前述燃烧区中。余下的热转化气流作为燃料气输送给燃气轮机燃烧室。在其它方法中，燃料气燃烧，与燃烧醇类和醛类的辅助燃烧室结合使用。
上述涉及用燃气轮机发电的方法并没有教导能够用非催化方法形成转化气(即燃料气或合成气)。而且，燃气轮机系统没有给出对电的需求、转化气的形成、和增强效率的操作考虑之间的相互作用。通常，当系统位于稳定状态时，系统几乎总是在较高的效率下操作。所需的是用于产生在涡轮机燃烧室内燃烧的转化气的方法，其中不要求催化燃烧的工艺。此外，所需的是一种适于适应电需求波动、且同时使该工艺能够在基本稳定状态下操作的方法。
鉴于显现的氢气经济性，在发电的同时产生氢对工业是有利的。通过催化转化而从燃料产生氢是一种公知的方法。所需的是一种用于生产氢的方法，其中制氢工艺从效果上说是发电的副产品，其中电氢的联产降低了二者的生产成本，并导致了系统效率和操作性的增加。
发明概述此处所公开的是一种用于电氢联产的系统，包括至少一个主燃烧系统，用于燃烧富含燃料的混合物并产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物。该系统进一步包括至少一个喷射系统，用于将燃料和蒸汽喷入所述部分氧化的燃烧产物中，从而产生混合产品流。该混合产品流在转化器中进行转化，以产生浓缩氢流。该浓缩氢流的至少一部分在次级燃烧系统中燃烧以产生电，该浓缩氢流的至少第二部分被送入氢气处理系统，以在那里产生氢气。
另一方面，一种用于电氢联产的系统，包括多个重复单元，每个单元包括一个主燃烧系统，用于燃烧富含燃料的混合物并产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物；一个喷射系统，用于将燃料和蒸汽喷入所述部分氧化的燃烧产物中，从而形成混合物产品流；和一个转化器，用于转化所述混合物产品流以产生浓缩氢流。该系统进一步包括一个次级燃烧系统，用于燃烧浓缩氢流的至少一部分以产生电；和一个氢气处理系统，用于接收浓缩氢流的至少第二部分以从中产生氢气。来自一个重复单元的转化器的浓缩氢流被送入下一个重复单元的燃烧系统中。
另一方面，一种电氢联产的方法，包括如下步骤燃烧富含燃料的混合物，从而产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物。将燃料和蒸汽喷入所述部分氧化的燃烧产物中，以产生混合产品流。该方法进一步包括转化混合产品流，以产生浓缩氢流。接下来的步骤包括燃烧浓缩氢流的至少一部分以产生电，和处理浓缩氢流的至少第二部分以从中产生氢气。
参考随后的附图并阅读下面的详细描述时，将更好地理解本发明的这些及其它的特征、方面及优点，在附图中用同样的附图标记表示附图中同样的部分，其中图1示出用于氢电联产的一个示例性系统的流程图。
图2示出用于氢电联产的另一个示例性系统的流程图。
图3是用于形成浓缩氢流的c-q-r阶段的示意图，其中c-q-r阶段包括燃烧、骤冷和转化步骤；和图4是如图3所示c-q-r阶段的重复步骤的示意图。
发明详述为了促进对本发明的理解，现在参考如图1～4所示的本发明的某些示例性实施方式，及用于描述该实施方式的具体语言。此处所用术语旨在描述，而非限制。此处所公开的具体结构和功能细节不可解释为限制，其仅作为权利要求书的基础，作为一个代表性的基础以教导本领域技术人员多样地利用本发明。所述支持结构和方法中的任何改型或变化，以及诸如本领域技术人员通常想到的对此处所述发明原理的进一步应用，都将被认为落入本发明的精神和范围内。
图1示出用于电氢联产的系统10的一个示例性实施方式。该联产系统10包括用于燃烧富燃料混合物的至少一个主燃烧系统14，和用于转化燃料的至少一个转化器16。氧化剂18和燃料20的混合物被喷入用于燃烧富燃料混合物并产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物的主燃烧系统14中。该联产系统进一步包括一个喷射系统，该系统中蒸汽22和燃料24被喷入部分氧化的燃烧产物中，以在骤冷操作中形成混合产品流12。该混合产品流12被送入一个用于转化混合产品流12以产生浓缩氢流26的转化器中。在某些实施方式中，主燃烧室14和转化器16位于在一个共同的燃烧室16中。
该浓缩氢流的一部分30在次级燃烧系统38内燃烧，以产生可连接到电网44的电力。向次级燃烧系统38中加入补充燃料34和氧化剂36。该浓缩氢流的第二部分32被送入氢气处理单元40中以产生氢气。
如图1所示，联产系统10联合生产了电和氢，同时具有较目前可行的更低的氮氧化物(NOX)污染物产量、更高的火焰稳定性、和更少的一氧化碳排放。此处的火焰温度是当量比的函数，该当量比是由化学计量的燃料与氧化剂比率规格化的主燃烧系统14中燃料与氧化剂比率的量度。当量比为1.0时，达到化学计量条件，火焰温度在该点处最高。当量比小于1.0时，燃烧室为“贫”燃烧室；当量比大于1.0时，燃烧室为“富”燃烧室。当达到化学计量的火焰温度时，NOX的生产非常快速地增加；当远离化学计量的火焰温度时，热NOX的生产快速减少。
再次参考图1，燃烧室16包括用于富燃料燃烧的一个主燃烧系统14，和转化来自主燃烧系统14的部分氧化燃烧产物的一个转化器16。燃料20(可为气体)和氧化剂18被预混并喷入主燃烧系统14中。在某些实施方式中，燃料和氧化剂可分别喷入主燃烧系统14中。在某些其它实施方式中，燃料和氧化剂可在被送入主燃烧系统14之前部分地或充分地混合。燃料20可包括任何适当气体或液体，例如天然气、甲烷、石脑油、丁烷、丙烷、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生的燃料、生物燃料、氧化烃原料、以及它们的混合物。在某些实施方式中，燃料优选包括天然气(NG)。天然气的可用性、低成本和易于混合弥补了它的低热含量，使得天然气成为优选的燃烧燃料。氧化剂18可包括任何适当的含氧气体，例如空气、富氧空气、贫氧空气、和/或纯氧。在富燃烧阶段，当量比大于1，优选地更接近富火焰一稳定极限。在某些实施方式中，预混的燃料和氧化剂通过一个含有旋流器的喷嘴而喷入主燃烧系统14中，该旋流器包括使进入的氧化剂旋转的多个旋转叶片，以及使燃料分布到旋转氧化剂流中的多个燃料轮辐。在主燃烧系统14内进行反应之前，燃料和氧化剂在预混燃料喷嘴内的环形通道中进行混合。在富燃烧操作之后，用一个喷射系统在骤冷步骤中进行燃料24和蒸汽22的喷射。在某些实施方式中，燃料和蒸汽被喷入离开主燃烧系统14的混合产品流12中。在骤冷步骤中喷入的燃料24还可通过位于燃烧室46内壁上的一系列狭缝而喷入燃烧室46中。燃料24可包括低沸点烃原料、天然气、甲烷、石脑油、丁烷、丙烷、和/或它们的混合物。在某些实施方式中，优选的燃料是大部分为甲烷的天然气。燃料和蒸汽的摩尔比优选为约1∶1，从而产生被称为混合产品流的热气流。该混合产品流被送入转化器16中，以产生包括大量氢气的浓缩氢流26。在某些实施方式中，该浓缩氢流26可进一步包括一氧化碳、氮气、平衡常数量的水、二氧化碳和未燃烧的燃料。该浓缩氢流26能够进一步分流至次级燃烧系统38和/或氢气处理单元40。在某些实施方式中，用物流调节器28将富含氢气流26的特定量分流到次级燃烧系统38、和/或氢气处理单元40。该物流调节器可为控制阀，或能够将分流浓缩氢流26的预定部分的任何其它设备。
在此处公开的联产系统中，主燃烧系统14中的燃烧室和燃气轮机的燃烧室54采用了燃料和氧化剂的预混混合物，且可包括预混的旋流系统或非旋流系统。径向、轴向和/或双反旋旋流器也可采用。
表示另一个示例性联产系统50的实施方式示于图2中，该图中用同样的附图标记表示同样的特征。该联产系统50包括至少一个主燃烧系统14以燃烧富燃料的混合物，和至少一个转化器16。氧化剂18和燃料20的混合物喷入用于燃烧富燃料混合物并产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物的主燃烧系统14中。在某些实施方式中，主燃烧室14和转化器16容纳在一个共同的燃烧室16中。该联产系统进一步包括一个喷射系统，在该喷射系统中，蒸汽22和燃料24被喷入部分氧化的燃烧产物中，以在骤冷操作中形成混合的产品流12。该混合产品流12被送入用于转化混合产品流12以产生浓缩氢流26的转化器16中。在某些实施方式中，物流52的一部分被直接送至主燃烧系统14中以控制火焰温度。
浓缩氢流的一部分30在次级燃烧系统38内燃烧，以产生可连接到电网44的电力。将补充燃料34和氧化剂36加入该次级燃烧系统38中。浓缩氢流的第二部分32被送入氢气处理单元40中以产生氢气。
次级燃烧系统38进一步包括一个燃气轮机燃烧室54，一个联产涡轮机56，和一个热量回收及水蒸气再利用系统58。输入联产涡轮机56的热气热力学膨胀做功以驱动联产涡轮机56，该涡轮机反过来又产生电力。来自联产涡轮机56的电力被转化成适当的形式提供给分配电力供应网44。
此处公开的联产系统包括控制当量比的系统和方法，从而通过降低主燃烧系统14内的火焰温度而将热NOX的产生降至最少。在传统涡轮燃烧室中，控制热NOX的主要方法是降低燃烧室内的火焰温度。由于整体燃烧系统的当量比必须为贫化的(以限制涡轮机的入口温度并使效率最大化)，因此旨在降低NOX排放的首要努力就在于设计一种具有更贫反应区的燃烧室。在预混系统中，火焰温度因整体当量比为贫化的而降低。在扩散系统中，火焰温度通过水的喷射而降低。使火焰区为贫化的(即，降低火焰区的当量比)也降低了火焰长度，并因此降低了气体分子在NOX形成温度下停留的停留时间。这两种机理减少了NOX的形成。但是，因为在工业燃气轮机中大负荷的燃料流动(40∶1)、空气流动(30∶1)和燃料/空气比例(5∶1)，所以在满操作条件下，主区域当量比的减少受到限制。在传统的燃气轮机中，燃料和空气直接喷入其中的反应区内，燃烧通常发生在贫化条件下、或者发生在化学计量条件或接近化学计量的条件下，而且在反应区域内存在相当大的再循环。
一种减少NOX形成的方法是通过将散热器引入火焰区中以降低火焰温度。水和蒸汽都能非常有效地实现这一目标。但是，尽管因通过涡轮机的附加质量流而增加了燃气轮机的输出，整体的效率却因将水加热到燃烧室温度所需的额外燃料而受损。不可避免地，水必须具有锅炉原料水的质量，以防止在燃烧室下游的热轮机气体路径面积上的沉积物和腐蚀。水的喷射是降低NOX形成的一个极有效方法。但是，当采用此项降低技术时，燃烧室的设计必须观察某些量度。为了使所用水的效率最大化，将燃料喷嘴设计为具有附加的通道以将水喷入燃烧室首端。水因此与进入的燃烧空气充分混合，并在其最热点处到达火焰区。用于减少NOX的蒸汽喷射基本上沿着和水一样的路径进入燃烧室首端。但是，在减少热NOX形成上，蒸汽不象水那样有效。在降低火焰温度中，水的高潜热充当了强散热器。总体上，对既定的NOX减少而言，为了实现控制，就需要以质量计为水的约1.6倍的蒸汽。对燃气轮机的长硬件寿命而言，存在着对喷入燃烧室的水或蒸汽量的实际限制。
将水和/或蒸汽喷入燃烧室内影响着多个参数。其一，水的喷射比蒸汽的喷射更趋向于激发动力活动。燃烧硬件上的振荡压力负荷起到振荡强迫的功能，因此必须将该负荷减至最少以确保长的硬件寿命。通过燃烧室设计的改型，例如加入多喷嘴燃料系统，就可能显著减少动压力的活动。在所公开的联产系统中，水和/或蒸汽被喷入燃烧室16内，而非喷入燃气轮机燃烧室54内。这一分离使得能够更有效地抑制并相当地隔离动力振动。其二，因为越来越多的水和/或蒸汽被加入燃烧室中，因此就达到了能观察到一氧化碳显著增加的一个点。通常地，在常规涡轮燃烧室内这是不希望发生的，因为一氧化碳的排放量也将增加。但在所公开的联产系统内，一氧化碳基本上不是问题。这归因于这一事实，即，浓缩氢流26并未直接送入联产涡轮机。该浓缩氢流26的一部分被分流至燃气轮机燃烧室54，在那里接触其中一氧化碳可能已被氧化的氧化气氛。该浓缩氢流的第二部分被引导至包括一个水-气催化介质的氢气发生器，一氧化碳在该介质中被转化成二氧化碳。其三，增加水和/或蒸汽的喷射减少了燃烧室操作的稳定性，并最终达到火焰吹熄的那一点。其四，未燃烧烃(UHCs)可能增加，但能够通过选择特别是关于烟雾方面的燃料组成而将其减至最少。
再参见图2，在某些实施方式中，燃气轮机54包括一个贫的预混燃烧组件(未示出)，一个次级或贫的直接喷射(LDI)燃料喷射器组件，和一个用于使燃烧的热补充气体流动至涡轮喷嘴和涡轮桨叶的过渡部件。贫的预混燃烧室组件包括一个壳体、多个预混燃烧喷嘴、和一个位于套管内的燃烧衬里。在该贫的预混燃烧室组件内的燃烧发生在燃烧衬里内。燃烧氧化剂经由流动套管引入衬里中，并通过燃烧衬里上的多个开孔进入燃烧衬里内。衬里中发生燃烧反应，释放出驱动燃气轮机的热量。用于贫的预混燃烧室组件的高压氧化剂从环状增压室进入流动套管和过渡部件碰撞套管中。该高压氧化剂是通过采用一系列叶和桨的压缩机供应的。每个预混燃料喷嘴包括一个旋流器，该旋流器包括多个旋流叶片以使进入的氧化剂旋转；和多个燃料轮辐，以将燃料优选为天然气分配到旋转的氧化剂流中。如果需要，补充燃料34和氧化剂36可预混并加入燃气轮机燃烧室54中。然后，燃料和氧化剂在预混燃料喷嘴的环状通道内混合，再在燃气轮机燃烧室54内的主反应区中发生反应，在那里产生热的补充气体。该主反应区充满了来自燃烧室的热且加压的气体。燃气轮机燃烧室54能够在燃料轮机的高负荷条件、中负荷条件和低负荷条件下操作。在操作中，选择火焰的贫乏程度和补充气体的流量，以使来源的组合(即，浓缩氢流30和燃气轮机燃烧室54内产生的热补充气体)产生少于1∶1化学计量比的燃料与氧化剂的燃烧混合物，换言之，即产生整体上为贫的燃烧混合物。燃气轮机燃烧室54为联产涡轮机56提供动力，从而产生能够提供给电力网44的电流。由此产生的相转变热能从排放气中回收，由此产生的水能通过热量回收和水蒸气再利用系统58而进行回收和再利用。
进入燃气轮机燃烧室54的浓缩氢流30富含燃料，而且不是足够热的和高压的，不能为涡轮机提供动力。因此，在燃料贫火焰中向它们中加入补充燃烧燃料34和氧化剂36。往燃气轮机54中加入补充燃料和氧化剂之后，燃气轮机燃烧室54的气体就足够地热和高压，从而有效地为由发生器56驱动的联产涡轮机提供动力，在那里产生足够量的电力。离开联产涡轮机的废气处于低压下，但仍含有相当的潜热。这些废气的潜热能够通过换热器而回收，该能量能够存储起来以用于工厂，例如预热锅炉中的水。废气中的水也能够保存，以再利用作为蒸汽用水，或者用作换热器的介质。
将浓缩氢流用于在较贫条件下操作的贫燃料涡轮燃烧室54中，减少了其中的排放，提供了贫燃料涡轮燃烧室54的更好稳定性，并产生了更好的操作特性。
在根据本技术的一个实施方式中，富燃烧阶段包括一个或多个往复式动力机。
在所公开的联产系统中，主燃烧系统14中的富燃料火焰在低温下操作。燃料20和氧化剂的预混确保了不会发生因燃料和氧化剂的化学计量混合而导致的过热点，否则该化学计量混合物将燃烧产物的温度升至足够高以致于氧化周围的氮气而形成NOX。燃料和氧化剂的化学计量混合定义为足以将全部燃料氧化成二氧化碳和水的氧化剂与燃料比率。在所公开的联产系统中，较低的火焰温度和预混将主燃烧系统14中NOX的形成减至最少。燃料的富燃烧促进了部分氧化反应(1)，而非标准的燃烧反应(2)。
(1)(2)富含氢气的来自主燃烧系统14的部分氧化的物流通过后续加入的蒸汽22和燃料24而骤冷，以形成混合产品流12。向部分氧化的物流中喷入蒸汽22和燃料24降低了部分氧化的物流的温度。热量、燃料和蒸汽的组合促进了诸如天然气的燃料的转化，如反应(3)所示。该转化工艺导致转化气体(通常被称作合成气)的形成，该转化气被称为浓缩氢流26。
(3)部分地是因为蒸汽和天然气形成氢气和一氧化碳的反应(3)是吸热的，所以燃烧室46内的温度进一步降低。蒸汽和燃料的加入抑制了氮氧化物(NOX)的形成。
由转化器16产生的浓缩氢流32的第二部分被分流至氢气处理单元40。该氢气处理单元40包括一个氢气发生器60和一个纯化系统62。在某些实施方式中，氢气发生器60是一个水-气催化转化器，以进一步浓缩氢气在浓缩氢流32的含量。在氢气发生器60中发生下面的水气转化反应(4)。
(4)离开氢气发生器60的物流进一步浓缩了氢气，并包括在水气转化反应(4)中形成的相当量二氧化碳。离开氢气发生器60的物流被送入纯化系统62中。该纯化系统包括一个或多个冷凝器/换热器(未示出)，该冷凝器/换热器从来自氢气发生器60的离开物流中分离出水，从而形成干燥的转化气。这些换热器回收了系统中的潜热。这一回收的潜热可用于工厂的多种用途，例如用于预热锅炉中的水。在一个实施方式中，纯化系统60可包括一个去湿器(未示出)，该去湿器可为诸如离心机的机械设备以分离水。在另一个实施方式中，利用吸收湿气的至少一个分子筛床将水分离出来。在某些实施方式中，干燥的转化器除含有氢气之外，还包括氮气、一氧化碳、二氧化碳和少量气体燃料(即天然气)。
纯化系统62进一步包括一个分离单元，在该分离单元中可通过施加包括但不限于变压吸附、化学吸收和膜分离的本领域已知的多种技术而实现干燥转化气的纯化。
变压吸附(PSA)可用于从含氢气的气体混合物中分离二氧化碳。在PSA技术中，在高分压下，固体分子筛能够比吸附氢气更强烈地吸附二氧化碳。其结果是，在高压下，当含氢的气体混合物通过吸附床时，从该混合物中除去了二氧化碳。床的再生可通过减压和吹扫实现。典型地，对临界操作而言，采用多个吸附器以连续分离二氧化碳，其中一个吸附床进行使用，而其它床进行再生。
从气流中分离二氧化碳的另一项技术是用氧化物如氧化钙(CaO)和氧化镁(MgO)或其混合物的化学吸收。在一个实施方式中，在高压和高温下，CO2被CaO吸收以形成碳酸钙(CaCO3)，从而从气体混合物中除去了CO2。吸附剂CaO的再生通过焙烧CaCO3实现，焙烧能够将CaCO3再次分解为CaO。
用于从干燥转化流中分离CO2的另一项技术是用胺的CO2化学吸收。干燥的转化气可冷却至适当的温度，以采用利用胺的二氧化碳化学吸收。该技术是基于链烷醇胺溶剂，该溶剂具有在相对低的温度下吸收二氧化碳的能力，而且易于通过提高富集溶剂的温度而得以再生。用于此项技术的溶剂可包括三乙醇胺、单乙醇胺、二乙醇胺、二异丙醇胺、二乙二醇胺和甲基二乙醇胺。
膜分离技术也可用于从气流中分离二氧化碳。膜工艺通常比吸收工艺更加能量高效，而且易于操作。用于高温二氧化碳分离的膜包括对CO2是选择性的沸石和陶瓷膜。但是，膜技术的分离效率低，通过膜分离可能不能实现完全的二氧化碳分离。典型地，膜分离器在较高压力下更加有效，而且用膜分离器从氢气处理单元40的干燥转化气中分离二氧化碳可能需要压缩机以压缩干燥的转化气。
在某些实施方式中，氢气处理单元40中的干燥转化气采用膜分离技术以得到纯氢气。可用多种聚合物作为在相对低的温度下操作的氢气选择性膜。在一个实施方式中，可通过联合PSA单元和CO2分离膜而增强氢气的分离效率。在第一个步骤中由PSA技术分离出H2。在接下来的步骤中由CO2分离膜分离出CO2。某些聚合膜在相对低的温度下显示出对CO2分离的良好渗透性。
在某些实施方式中，氢气纯化系统62可采用低温分离技术。当重要的是回收多种馏分和多种产品时，可采用低温分离。在某些实施方式中，纯化系统62包括液化设备、冷冻激冷器和蒸馏设备，以从转化气中分离出单独的组成气。
离开纯化系统的纯化氢气流可分流为数个路径。该纯化氢气的一部分64可存储在氢气储罐68内。纯化氢气可储存为冷的高压液体、加压气体，或在某些实施方式中储存在吸收性材料如碳纳米管、石墨密封金属、纳米材料、和/或其它吸附材料中。在另一个实施方式中，纯化的氢气可存储为金属氢化物。然后将这样存储的氢气在工厂外装船、销售、或用于联产系统50中。所存储氢气的一部分72a可作为补充燃料而分流至次级燃烧系统38。
此外，纯化氢气的另一部分66可用在包括一个或多个燃料电池的燃料电池系统74中。该燃料电池选自固体氧化物燃料电池(SOFC)、质子交换膜(PEM)燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、磷酸燃料电池、碱燃料电池、直接甲醇燃料电池、再生燃料电池、锌空气燃料电池、和质子陶瓷燃料电池。燃料电池系统74利用氢气以将其直接转化成电，该电流如果需要则随后送至电力网44。诸如PEM燃料电池或SOFC的燃料电池系统74中反应的副产品是水和热量，它们可通过热量和水蒸汽的再利用系统78而得以回收，以用于联产系统。燃料电池系统76的氢气可通过物流72b而来自氢气储罐68，或者直接来自氢气纯化单元62。
此处所公开的联产系统涉及利用富燃烧-骤冷-转化设备而生产氢气的系统和方法。这些系统和方法优选利用形成热气流的燃烧系统，该热气流是富含氢气的部分氧化的燃烧产物。燃烧室是一个富燃烧-骤冷-转化设备，包括至少一个c-q-r阶段，其中每个c-q-r阶段包括燃烧、骤冷和转化步骤。
图3示出示例性的富燃烧-骤冷-转化(c-q-r)阶段80的概略图。这样的富燃烧-骤冷-转化阶段80能够用于优化氢气的生产。c-q-r阶段80包括三个步骤。第一，在燃烧步骤90中，燃料和氧化剂82在喷入物流84的存在下燃烧。氧化剂可以是空气、富氧空气、贫氧空气或纯氧气。所产生的热气在骤冷步骤92中接下来和附加燃料和蒸汽86混合，形成高度富含燃料的热气流。接下来，在转化步骤96中，喷入附加的蒸汽94，这改变了混合物向着氢气的平衡。进一步浓缩了氢气的热气流离开转化步骤，然后送入另一个类似的c-q-r阶段，以进一步浓缩氢气。图3概略地示出一个示例性的富燃烧-骤冷-转化(combustion-quench-reform，c-q-r)设备100，其包括三个串联的c-q-r阶段80。每个阶段80提高了热气流质量或氢气含量。多个c-q-r阶段增加了氢气的产量，并显著增加了当量比，从而整体当量比高于1。该富燃烧-骤冷-转化设备可包括一个或多个c-q-r阶段，阶段的数量取决于所需的氢气产量。
除了燃料和氧化剂的预混混合物之外，可以预期并非全部燃烧气体都将完全预混，这是由于燃烧室、主燃烧系统、和向主燃烧系统供应燃料和氧化剂的组件的结构限制。燃料和氧化剂的混合物能够在燃烧之前部分地预混，例如在燃烧室具有扩散燃烧和预混燃烧的情况下。
如上所述，此处公开的氢电联产的系统和方法提供的系统，它们对电力的高峰负荷要求波动具有独特的响应，同时能以实稳态条件进行损伤。在高峰负荷期间，燃料电池技术和燃气轮机技术的组合创造了易于获得的备份电源。当电负载低时，较大量的燃料将转化成氢气，氢气被储存起来以备以后用于燃料电池或任何其它的应用。当电需求高时，可使燃料电池联机以产生所需的电流，从而满足更高的电需求。如果涡轮机系统出现失误，或是计划内的关闭，则燃料电池能够为其提供一个部分备份系统。如果存在过量的电生产能力，则该过量能力能用于以相对便宜的价格制造氢气。氢气然后可用作离线或甚至是移动的燃料电池的燃料源。此外，过量的氢气甚至可以以类似于石油基燃料的方式进行销售和散发，以用于离线的燃料电池。
已经描述了本发明多种实施方式，以满足本发明所遇到的不同需求。应该认识到，这些实施方式仅仅是对本发明不同实施方式的原理的说明。本领域技术人员显而易见，在不背离本发明的精神和范围的条件下存在着多种改型和改变。因此，这意味着本发明覆盖了在所附权利要求书及其等价物范围内的所有适当改型和变化。
元件列表
权利要求
1.一种用于电氢联产的系统(10)，包括至少一个主燃烧系统(14)，用于燃烧富含燃料的混合物并产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物；至少一个喷射系统，用于将燃料(24)和蒸汽(22)喷入所述部分氧化的燃烧产物中，从而产生混合产品流；至少一个转化器(16)，用于转化所述的混合产品流以产生浓缩氢流(26)；一个次级燃烧系统(38)，用于燃烧所述浓缩氢流的至少一部分(30)以产生电；和一个氢气处理单元(40)，用于接收所述浓缩氢流的至少第二部分(32)以从中产生氢气。
2.根据权利要求1的系统，其中所述主燃烧系统(14)包括一个燃烧室，该燃烧室具有一系列的缝隙以使蒸汽可以加入所述燃烧室中。
3.根据权利要求1的系统，进一步包括一个物流调节器(28)，用于将所述浓缩氢流的预定部分分流至所述次级燃烧系统(38)和所述氢气处理单元(40)。
4.根据权利要求1的系统，其中所述次级燃烧系统(38)包括一个联产涡轮机(56)以产生电。
5.根据权利要求1的系统，其中所述氢气处理单元(40)包括一个氢气发生器(60)，该氢气发生器被设计成以接收所述浓缩氢流(32)。
6.根据权利要求1的系统，其中所述燃料选自由天然气、甲烷、石脑油、丁烷、丙烷、柴油、煤油、航空燃料、煤衍生燃料、生物燃料、氧化的烃原料以及它们的混合物组成的组。
7.根据权利要求1的系统，进一步包括多个重复单元，该单元包括一燃烧系统、一喷射系统和一转化器，所述重复单元串联连接，其中，所述浓缩氢流被送入第一重复单元的所述燃烧系统内，来自所述第一重复单元的所述转化器的第一浓缩氢流被送入第二重复单元的所述燃烧系统内。
8.一种用于电氢联产的系统，包括多个重复单元(80)，该单元包括一个主燃烧系统，用于燃烧富含燃料的混合物并产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物；一个喷射系统，用于将燃料和蒸汽喷入所述部分氧化的燃烧产物中，从而形成混合物产品流；以及一个转化器，用于转化所述混合物产品流以产生浓缩氢流；一个次级燃烧系统(38)，用于燃烧所述浓缩氢流的至少一部分以产生电；和一个氢气处理单元(40)，用于接收所述浓缩氢流的至少第二部分以从中产生氢气，其中，来自一个重复单元的所述转化器的所述浓缩氢流被送入下一个重复单元的所述燃烧系统中。
9.一种用于电氢联产的方法，包括如下步骤燃烧富含燃料的混合物，从而产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物；将所述燃料和蒸汽喷入所述部分氧化的燃烧产物中，以产生混合产品流；转化所述混合产品流以产生浓缩氢流；燃烧所述浓缩氢流的至少一部分以产生电；和处理所述浓缩氢流的至少第二部分以从中产生氢气。
10.根据权利要求9的方法，其中，一个次级燃烧系统(38)用于燃烧所述浓缩氢流的至少所述部分以产生电，一个氢气处理单元(40)用于处理所述浓缩氢流的至少所述第二部分以产生氢气。
全文摘要
一种用于电氢联产的系统，包括至少一个主燃烧系统，用于燃烧富含燃料的混合物并产生富含氢气的部分氧化的燃烧产物。该系统进一步包括至少一个喷射系统，用于将燃料和蒸汽喷入部分氧化的燃烧产物中，从而产生混合产品流。该混合产品流在转化器中进行转化，以产生浓缩氢流。该浓缩氢流的至少一部分在次级燃烧系统内燃烧以产生电，该浓缩氢流的至少第二部分被送至氢气处理系统以在那里产生氢气。
文档编号C01B3/38GK1654312SQ20041009549
公开日2005年8月17日 申请日期2004年12月24日 优先权日2003年12月24日
发明者A·科利巴巴-埃乌莱特, B·瓦拉塔拉彦, C·巴兰 申请人:通用电气公司