专利名称：用于生产氢富集燃料的系统和方法
技术领域：
本发明总地涉及一种用于生产氢富集燃料的系统和方法，氢富集燃料用于后续的燃烧或分配。在本发明的特定实施例中，燃料重整器与燃气涡轮机形成一体，从而增强整体系统的总效率。
背景技术：
燃气涡轮机广泛用于工业和发电运营。各种重整器可用于生产氢富集燃料，以用于燃气涡轮机或其它用途。例如，催化型部分氧化(CPOX)或蒸汽甲烷重整器(SMR)可将蒸汽、催化剂例如镍或贵金属、以及燃料例如天然气或甲烷组合起来以生产氢气。燃料重整器可与燃气涡轮机形成一体，从而产生一种具有增强的总效率的整体系统。具体地说，转让给本发明的相同受让人的美国专利7，076，957描述了一种流体加热和燃气涡轮机的一体化 方法，其中燃气涡轮机将排气供给燃料重整器，从而增强组合式燃气涡轮机和燃料重整器的热力学效率。虽然将燃气涡轮机排气供给燃料重整器提高了组合式燃气涡轮机和燃料重整器的热力学效率，但是在燃料重整器与燃气涡轮机的设计和一体化方面的持续改进将是很有用的。具体地说，燃料重整器生产具有相当大的能量的高温排气流，并且整体系统可从来自燃料重整器的高温排气流中捕获或利用更多能量，其可进一步增强组合式燃气涡轮机和燃料重整器的热力学效率。
发明内容
在以下描述中将阐述，或者可从描述中明白，或者可通过本发明的实践而获悉本发明的多个方面和优势。本发明的一个实施例是一种用于生产氢富集燃料的系统。该系统包括燃气涡轮机，燃气涡轮机包括压缩机、连接在压缩机下游的燃烧器以及连接在燃烧器下游的涡轮。燃料重整器连接在压缩机和燃烧器之间。燃料重整器包括连接在压缩机上的入口和连接在燃烧器上的出口，并且燃料重整器生产氢富集燃料。本发明的另一实施例是一种燃气涡轮机，燃气涡轮机包括压缩机，压缩机生产压缩的工作流体。位于压缩机下游的燃料重整器从压缩机接收压缩的工作流体的第一部分，并生产氢富集燃料和排气流。位于压缩机和燃料重整器下游的燃烧器接收来自燃料重整器的排气流，并生产燃烧气体。位于燃烧器下游的涡轮接收来自燃烧器的燃烧气体。本发明的实施例还可包括一种用于生产氢富集燃料的方法。该方法包括借助压缩机压缩工作流体以生产压缩的工作流体，并将压缩的工作流体的第一部分转移至燃料重整器。该方法还包括使燃料与压缩的工作流体在燃料重整器中进行混合，从而生产氢富集燃料和排气流，并使排气流流向燃烧器。本领域普通技术人员在查看本说明书后将更好地理解此类实施例以及其它实施例的特征和方面。
在说明书的剩余部分，包括参照的附图将为本领域中的技术人员更具体地描述本发明完整且能够实施的公开，包括其最佳模式，其中图I是联合循环发电设备的简化方框图；且图2是根据本发明一个实施例的用于生产氢富集燃料的系统的简化方框图。零部件列表10联合循环发电设备12燃气涡轮机 14热量回收系统16压缩机18燃烧器20涡轮22周围空气或工作流体24压缩的工作流体26燃料28燃烧气体30轴32发电机34蒸汽发生器36蒸汽涡轮38冷凝器40蒸汽42轴44发电机46冷凝物50用于生产氢富集燃料的系统52氢富集燃料54燃料重整器56重整器燃烧器58蒸汽甲烷重整器60重整器的入口62重整器的出口64压缩的工作流体的第一部分66重整器的排气流68燃料70催化剂72来自重整器燃烧器的热量74分离器
76 第一排放流78 第二排放流80 压缩的工作流体的第二部分
具体实施例方式现在将详细参考本发明的实施例，图中显示了其一个或更多示例。详细描述中使用数字标号和字母标号来指示图中特征。附图和描述中使用相似或类似的标号表示本发明的相似或类似的部件。各个示例是作为本发明的说明，而非本发明的限制而提供的。实际上，本领域技术人员应该懂得，在不脱离本发明的精神或范围的条件下可在本发明中做出修改和变化。例如，作为一个实施例的一部分而被显示或被描述的特征可用于另一实施例，从而产生又一实施例。因而，只要其落入所附权利要求及其等价物的范围内，则本发明意图覆盖此类修改和变化。本发明的各种实施例将燃料重整器与燃气涡轮机形成一体，从而产生具有增强的总效率的综合热力循环。在特殊的实施例中，燃料重整器可从燃气涡轮机接收压缩的工作流体和/或蒸汽，从而产生氢富集燃料。然后可将氢富集燃料供给燃气涡轮机，再循环回到重整器，并且/或者收集起来用于其它用途。另外，燃料重整器可与燃气涡轮机形成一体，从而将高温排气流提供给燃气涡轮机，尤其是燃气涡轮机中的一个或更多燃烧器，从而更有效地捕获或利用由燃料重整器产生的能量。图I显示了本领域中已知的传统联合循环发电设备10的简化方框图。如图所示，联合循环发电设备10通常包括与热量回收系统14形成一体的燃气涡轮机12。燃气涡轮机12通常包括压缩机16、连接在压缩机16下游的一个或更多燃烧器18、以及连接在燃烧器18下游的涡轮20。如本文所用，词语“上游”和“下游”指流体通路中构件的相对位置。例如，如果流体从构件A流向构件B，则构件A位于构件B的上游。相反，如果构件B接收来自构件A的流体流，则构件B位于构件A的下游。周围空气22进入压缩机16，并且压缩机16中的固定导叶和旋转叶片逐步地将动能赋予工作流体(空气)，从而产生处于高赋能状态下的压缩的工作流体24。压缩的工作流体24离开压缩机16，并流过燃烧器18中的喷嘴，其在燃烧器中与燃料26混合并点燃，从而产生具有高温和高压的燃烧气体28。燃烧气体28流向涡轮20，它们在此处膨胀，以产生功。例如，燃烧气体28在涡轮20中的膨胀可使连接在发电机32上的轴30旋转，从而产生电力。燃烧气体28离开涡轮20，并且如果立即释放至环境中将导致燃气涡轮机12所产生的能量浪费，其不会产生功。因此，连接在涡轮20下游的热量回收系统14接收来自涡轮20的燃烧气体28，从而从燃烧气体28提取额外的能量。具体地说，热量回收系统14通常包括蒸汽发生器34、蒸汽涡轮36和冷凝器38。蒸汽发生器34接收来自涡轮20的燃烧气体28，以加热水，从而产生蒸汽40。蒸汽40然后流过蒸汽涡轮36，其在此处膨胀，从而产生功。例如，蒸汽40在蒸汽涡轮36中的膨胀可使连接在发电机44上的轴42旋转，从而产生 电力。轴42和发电机44可以是相同的轴30，并且发电机32连接在燃气涡轮机12上，或者燃气涡轮机12和热量回收系统14可利用独立的轴和发电机。蒸汽涡轮36下游的冷凝器38将蒸汽40冷凝成冷凝物46，并且冷凝物46返回至蒸汽发生器34，并且重复该循环。热量回收系统14因而在燃烧气体最后被释放到环境中之前捕获燃烧气体28中的能量，从而提高联合循环发电设备10的总效率。
图2提供了根据本发明一个实施例的用于生产氢富集燃料52的系统50的简化方框图。如图所示，系统50可包括与图I所示的联合循环发电设备10形成一体的燃料重整器54。燃料重整器54可包括本领域中的普通技术人员所知的任何装置，其用于氧化燃料，以生产具有增加的氢含量的重整燃料。例如，燃料重整器54可包括燃烧器56或与催化型部分氧化(CPOX)转换器相组合的其它热源，转换器使用一种或更多种贵金属作为催化剂，或蒸汽甲烷重整器(SMR) 58，其使用金属，例如镍作为催化剂。燃料重整器54可连接在压缩机16的下游，位于压缩机16和燃烧器18之间。例如，燃料重整器54的入口 60可连接在压缩机16上，并且燃料重整器54的出口 62可连接在燃烧器18上。这样燃料重整器54可从压缩机16中接收压缩的工作流体的第一部分64，并且燃烧器18可从燃料重整器54接收排气流66，以用于产生燃烧气体28。另外，燃料重整器54可连接在蒸汽发生器34上，以接收由蒸汽发生器34产生的蒸汽40。如图2中所示，借助来自重整器燃烧器56的热量72，燃料重整器54将燃料68、催化剂70和例如来自蒸汽发生器34的蒸汽40组合起来，从而产生氢富集燃料52。供给燃料重整器54的可能燃料68包括例如高炉气、炼焦炉气、天然气、甲烷、蒸发的液化天然气(LNG)和丙烷。来自燃料重整器54的氢富集燃料52可流向燃料重整器54下游的分离器74。氢富集燃料52可包括氢气和各种废气的混合物，例如未转换的燃料、一氧化碳和二氧化碳。分离器74可包括例如变压吸附(PSA)、化学吸附和/或隔膜分离器，从而有选择地将氢气与其它废气隔离开。结果，分离器74可提供废气的第一排放流76以用于进一步处理和固化，并将氢气的第二排放流78提供给燃烧器18。这样氢富集燃料52从燃料重整器54流过分离器74，在流分离器处除去废气，并流入燃烧器18中。如图2中进一步所示，第二排放流78中的一部分氢富集燃料52还可被转移或再循环回至重整器燃烧器56，从而为重整器燃烧器56提供燃料。如之前所述，排气流66从燃料重整器54流向燃烧器18。这样系统50可利用来自燃烧器18中的燃料重整器54的高温排气流66中的能量。如图2中所示，燃烧器18还可从压缩机16中接收压缩的工作流体的第二部分80，其在进入燃烧器18之前与来自燃料重整器54的高温排气流66混合。压缩的工作流体的第二部分80因而可在进入燃烧器18中之前冷却来自燃料重整器54的高温排气流66，从而确保不超过与燃烧器18相关联的设计温度。图2中所示的系统50因而可提供一种用于生产氢富集燃料52的方法。具体地说，该方法可包括借助压缩机16压缩工作流体(例如空气22)，从而产生压缩的工作流体24。该方法还可包括使压缩的工作流体的第一部分64和蒸汽40从蒸汽发生器34转移至燃料重整器54，并在燃料重整器54中使燃料68与压缩的工作流体64和蒸汽40混合，从而产生氢富集燃料52。氢富集燃料52然后可流向位于燃料重整器54下游的分离器74，以便从氢富集燃料52除去废气，并且一部分氢富集燃料52可流向燃烧器18。另外，一部分氢富集燃料52可被转移或再循环回至重整器燃烧器56，从而为重整器燃烧器56提供燃料。该方法还可包括使排气流66流向燃烧器18,从而有效地利用高温排气流66,以产生燃烧气体28。如果需要，压缩的工作流体的第二部分80还可在进入燃烧器18之前或之后被转移至燃烧器18,以与高温排气流66混合。这样燃料重整器54可与联合循环发电设备10形成一体，从而增强系统50的整体热力学效率。本文使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所结合的方法。本发明可获取专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技 术人员想到的其它示例。如果这些其它示例包括并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等效结构元件，那么这些其它示例属于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种用于生产氢富集燃料的系统(50)，包括 a.燃气涡轮机(12)，其包括压缩机(16)、连接在所述压缩机(16)下游的燃烧器(18)、以及连接在所述燃烧器(18)下游的涡轮(20);和 b.连接在所述压缩机(16)和所述燃烧器(18)之间的燃料重整器(54)，其中所述燃料重整器(54)包括连接在所述压缩机(16)上的入口 ￠0)和连接在所述燃烧器(18)上的出口(62)，并且其中所述燃料重整器(54)生产所述氢富集燃料(52)。
2.根据权利要求I所述的系统 (50)，其特征在于，所述燃料重整器(54)包括蒸汽甲烷重整器(58)。
3.根据任一前述权利要求所述的系统(50)，其特征在于，所述燃烧器(18)从所述燃料重整器(54)接收至少一部分所述氢富集燃料(52)。
4.根据任一前述权利要求所述的系统(50)，其特征在于，所述系统还包括位于所述燃料重整器(54)下游的分离器(74)，其中所述分离器(74)从所述燃料重整器(54)接收所述氢富集燃料(52)。
5.根据权利要求4所述的系统(50)，其特征在于，所述燃料重整器(54)从所述分离器(74)接收至少一部分所述氢富集燃料(52)。
6.根据任一前述权利要求所述的系统(50)，其特征在于，所述系统还包括位于所述涡轮(20)下游的蒸汽发生器(34)，其中所述蒸汽发生器(34)生产蒸汽(40)。
7.根据权利要求6所述的系统(50)，其特征在于，所述燃料重整器(54)连接在所述蒸汽发生器(34)上，以便从所述蒸汽发生器(34)接收至少一部分所述蒸汽(40)。
8.一种用于生产氢富集燃料(52)的方法，包括 a.借助压缩机(16)压缩工作流体(22)，从而产生压缩的工作流体(24)； b.将压缩的工作流体的第一部分￠4)转移至燃料重整器(54)； c.在所述燃料重整器(54)中使燃料￠8)与所述压缩的工作流体(24)混合，从而产生所述氢富集燃料(52)和排气流￠6);和 d.使所述排气流￠6)流向燃烧器(18)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述压缩的工作流体的第二部分(80)转移至所述燃烧器(18)。
10.根据权利要求8-9中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述氢富集燃料(52)流向位于所述燃料重整器(54)下游的分离器(74)。
11.根据权利要求8-10中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使一部分所述氢富集燃料(52)流向所述燃烧器(18)。
12.根据权利要求8-11中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括从连接在所述燃烧器(18)下游的蒸汽发生器(34)产生蒸汽。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使至少一部分所述蒸汽(40)从所述蒸汽发生器(34)流向所述燃料重整器(54)。
全文摘要
本发明涉及用于生产氢富集燃料的系统和方法，具体而言，一种用于生产氢富集燃料的系统包括燃气涡轮机，燃气涡轮机包括压缩机、燃烧器和涡轮。燃料重整器连接在压缩机和燃烧器之间。燃料重整器包括连接在压缩机上的入口和连接在燃烧器上的出口，并且燃料重整器生产氢富集燃料。一种用于生产氢富集燃料的方法包括借助压缩机压缩工作流体，以产生压缩的工作流体，并将压缩的工作流体的第一部分转移至燃料重整器。该方法还包括使燃料与压缩的工作流体在燃料重整器中混合，从而生产氢富集燃料和排气流，并使排气流流向燃烧器。
文档编号C10L3/00GK102634392SQ201210040399
公开日2012年8月15日 申请日期2012年2月14日 优先权日2011年2月14日
发明者A·S·托普拉尼, M·A·哈德利, R·W·史密斯, S·D·德拉珀, S·F·辛普森 申请人:通用电气公司