專利名稱：可將碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成能量且無溫室氣體排放的方法和系統(tǒng)的制作方法
本申請要求美國臨時申請第60/064,692號，1997年11月7日提交的優(yōu)先權(quán)。
本發(fā)明廣泛地涉及消除傳統(tǒng)的用煤，石油和天然氣的發(fā)電廠排放二氧化碳和其它溫室氣體的方法和系統(tǒng)。
人們還進(jìn)行過廣泛的嘗試，通過采用先進(jìn)的熱動力學(xué)復(fù)合循環(huán)，更高效的透平發(fā)電機(jī)，改進(jìn)冷凝器和冷卻塔，以及類似系統(tǒng)，來提高發(fā)電廠的效率。這些嘗試中的一小部分涉及采用高效的礦物燃料氣化工藝，因?yàn)檫@種工藝防止了燃燒和大量燃燒產(chǎn)物的排放。最后，威斯汀豪斯(Westinghouse，Corporate liferafure，“Sure Cell”1996)等進(jìn)行的一種嘗試，是將先進(jìn)的高溫透平發(fā)電機(jī)和燃料電池結(jié)合使用，使電轉(zhuǎn)化率達(dá)到約70％，而目前傳統(tǒng)的發(fā)電廠只有約47％。
今天，大氣中二氧化碳和其它溫室氣體的增加，開始對地球?qū)α鲗訙囟?、全球降雨的分布、水平衡、劇烈氣候風(fēng)暴造成嚴(yán)重的環(huán)境后果以及類似的結(jié)果，這已成為世界性的擔(dān)心問題。從技術(shù)上解決這個問題成為全世界的需要。
在世界范圍內(nèi)，由政府鼓勵的，不同機(jī)構(gòu)提供資金的研究機(jī)構(gòu)，繼續(xù)著力研究驗(yàn)明商業(yè)上有吸引力的從煙氣中除去二氧化碳的氣體分離技術(shù)，以及利用二氧化碳作為原料生產(chǎn)有用產(chǎn)品的化學(xué)。事實(shí)上，這是很大的挑戰(zhàn)，進(jìn)展很小，正如一些評述文獻(xiàn)所闡述的那樣，見Michele Aresta，and Eugenio Quaranta，“Carbon DioxideA Substitute for Phosgene”，Chem.Tech.pp.32-40，March 1997和Bette Hileman，“Industry Considers CO2Reduction Methods”，Chem.& Engr.News，pg.30，June 30，1997。將CO2從煙氣中分出和使回收的CO2進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的嘗試，明顯不是正確的研究路線，因?yàn)槭苟趸挤磻?yīng)技術(shù)困難，過程費(fèi)用太大。
該系統(tǒng)包括(a)氣化裝置，設(shè)有碳質(zhì)原料和溫室氣體入口，以及用于將混合原料轉(zhuǎn)化成合成氣的催化劑或其它手段；(b)生產(chǎn)電能的燃料電池，包括第一半室，設(shè)有與合成氣流體連通的入口，和用于將合成氣電化學(xué)氧化生成第一半室排出氣體的第一手段或陽極；第二半室，設(shè)有用于將含氧氣體電化學(xué)還原的第二手段或陰極；還有一個隔離第一半室和第二半室的膜，使氣體組份不能從各自半室通過；和(c)使來自第一半室的二氧化碳通過，以作為進(jìn)入氣化裝置的溫室氣體的至少一部分的通路。
該方法回避了試圖從煙氣中除去和捕集二氧化碳的困難，并且沒有試圖使二氧化碳分別進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)以期生產(chǎn)有用產(chǎn)品。本發(fā)明的方法和系統(tǒng)采用工業(yè)上通用的氣化技術(shù)并與燃料電池相結(jié)合，可以高效地生產(chǎn)電能。這是通過利用燃料電池的特異性能的優(yōu)點(diǎn)而完成的，即利用燃料電池的陽極和陰極上的兩個反應(yīng)用導(dǎo)電膜隔開以保持氣體產(chǎn)物不混的特點(diǎn)。按此方法，可燃燒的原料氣體在燃料電池第一半室中可被完全氧化，而且不與第二半室電極中的空氣最終產(chǎn)物，即N2混合。例如，在煤氣化時，生成主要由氫和一氧化碳組成的合成氣。此合成氣送入燃料電池，例如固體氧化物或熔融碳酸鹽型電池的第一半室，即陽極或負(fù)端子側(cè)，合成氣在此被氧化成水和二氧化碳。這些氣體不會被用于第二半室或另一半室，即燃料電池的陰極或正端子側(cè)的燃燒空氣中的通常的氮所稀釋。當(dāng)在鍋爐或爐子中使用空氣燃燒時，氮和燃燒氣體混合。因此，合成氣在燃料電池中進(jìn)行氧化，而不是與空氣燃燒，并且不會被其它氣體稀釋。在燃料電池中產(chǎn)生的水和二氧化碳通過冷凝液態(tài)水，可很容易地彼此分離，并使二氧化碳可返回到氣化裝置。二氧化碳進(jìn)入高溫氣化裝置，經(jīng)與高溫碳質(zhì)原料反應(yīng)，而生成更多的一氧化碳，如此反復(fù)循環(huán)。
通過本方法和系統(tǒng)，燃料電池中的二氧化碳很容易與空氣和氮隔開。該二氧化碳幾乎可以以純凈的形態(tài)循環(huán)進(jìn)入氣化裝置。同樣，水也以純凈形態(tài)進(jìn)行再循環(huán)，其量按照氣化裝置控制的系統(tǒng)要求，以保持理想的氫和一氧化碳比，約1.75～約2.25。這有助于氣化裝置中保持高含氫量，使得氣化裝置產(chǎn)生的合成氣可用于下游化學(xué)反應(yīng)裝置，如費(fèi)一托(Fische-Tropsch)反應(yīng)系統(tǒng)，生產(chǎn)從甲醇到石臘等各種有用化學(xué)品。這些產(chǎn)品再用于生產(chǎn)例如石腦油、柴油、汽油等有用化學(xué)品。這樣，一氧化碳可用來生產(chǎn)有用的化學(xué)品，而不是以二氧化碳的形式丟棄有價值的碳源。裝置保持了碳平衡，這樣，裝置輸入的廢棄物料中的碳質(zhì)量，與輸出的有價值的烴產(chǎn)品而非二氧化碳的碳質(zhì)量相等。
這樣實(shí)現(xiàn)的是一座化學(xué)工廠與一發(fā)電廠的結(jié)合，它可以生產(chǎn)有用的烴產(chǎn)品和高效率的電能，而無任何二氧化碳或其它溫室氣體排放。還有，最重要的氣化裝置比煉油廠、燃煤鍋爐有更大的靈活性，因?yàn)樗梢允褂酶鄻拥膹U棄物作為原料。解決了兩個重要的問題。
該方法可用于采用礦物燃料，如碳質(zhì)原料，包括煤、烴油、天然氣、油頁巖和石油焦的發(fā)電廠，以及煉油廠和石油化工廠。其它碳質(zhì)原料，如廢油、危害性廢物、醫(yī)院廢物或它們的混合物均可作為本發(fā)明氣化裝置的原料。


從以下說明和附圖中，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，其中圖1是本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第一種實(shí)施方案的簡要流程圖；圖2是本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第二種實(shí)施方案的簡要流程圖；圖3是本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第三種實(shí)施方案的簡要流程圖。
發(fā)明詳述A.第一種實(shí)施方案，產(chǎn)生氫燃料電池能而不產(chǎn)生有害的溫室氣體的方法。
圖1說明了本發(fā)明方法和系統(tǒng)的一種特殊的實(shí)施方案，在該過程中碳質(zhì)廢棄原料通過管線10進(jìn)入內(nèi)設(shè)催化劑床14的氣化爐12，并在約400℃～約600℃(750°F～1100°F)的高溫下轉(zhuǎn)化成合成氣。優(yōu)選地，在氣化爐12中采用流化催化劑床。在氣化爐12中生成的合成氣通過管線18出爐，然后在下游分成兩路流經(jīng)管線20和22。流經(jīng)管線20的合成氣從氣門28進(jìn)入燃料電池26。第二路合成氣流經(jīng)管線22去費(fèi)一托催化反應(yīng)器30。
本發(fā)明采用的氣化方法和裝置的一個實(shí)例是荷蘭阿姆斯特丹荷蘭殼牌公司(Royal Dutch Shell)氣化爐(見L.O.M.Koenders，S.A.Posthuma，andP.L.Zuideveld，“The Shell Gasification Process for Conversion of HeavyResidues to Hydrogen and Power”，in a paper presented at GasificationTechnologies Conference，San Francico，CA，Oct.2-4，1996)。另一實(shí)例是德士古氣化爐(見Corporate literature，“Texaco Gasification Process for SolidFeedstocks”，Texaco Depvolopment Corp.，White Plains，N.Y.and“GasificatonReliable，Efficient and Clean”，Texaco Global Gas and Power，White Plains，N.Y.)。這些文獻(xiàn)的有關(guān)部分作為參考結(jié)合在本發(fā)明詳述中。氣化技術(shù)另一實(shí)例是采用了美國專利NO.4,874,587所公開和要求保護(hù)的蒸汽重整反應(yīng)器系統(tǒng)，亦作為參考結(jié)合在此發(fā)明詳述中。
對于通過管線10進(jìn)入氣化爐12的石油焦原料，最適宜的操作條件是通過管線34輸入6％氧，通過管線36輸入12％CO2和通過管線38加入15％H2O。這樣的條件可使氣化爐12有足夠氧氣以保持其溫度非常接近約900℃(1700°F)，并且生成的合成氣包括約22％CO和約45％H2。這些條件隨原料的H/C比不同而稍有變化，但是合成氣H2/CO比的目標(biāo)值為約1.75～約2.25，可以通過稍稍改變進(jìn)入氣化爐12的O2、CO2和H2O的相對比例來控制。
在燃料電池26中，合成氣原料向上通過電介質(zhì)40周圍和多孔催化陽極42，在此氣體進(jìn)行電化學(xué)氧化反應(yīng)。膜44是離子導(dǎo)電體，但它不會讓燃料電池26兩側(cè)的任何氣體或烴類通過。
可以接受合成氣并適宜用作本發(fā)明的燃料電池26的燃料電池實(shí)例包括固體氧化物燃料電池(由Westinghouse，Monroeville，Pennsylvania或Technical Management Inc.，Cleveland，Ohio制造)和熔融碳酸鹽燃料電池(由Energy Research Corp.，Danbury，Connecticut制造)。下面文獻(xiàn)的有關(guān)部分作為參考結(jié)合在本發(fā)明詳述中，這些參考文獻(xiàn)有C.M.Caruana，“FuelCells Poised to Provide Power”，Chem.Eng.Progr.，pp.11-21，September，1996和S.C.Singhal，“Advanced in Tubular Solid Oxide Fuel Cell Technology”，Proceedings of the 4th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells，Pennington，N.J.，Vol.95-1，pp.195-207(1995)。
主要含有氫和一氧化碳的合成氣被氧化后，離開燃料電池26的陽極42，其大部分成為水蒸汽和二氧化碳。這股被氧化的合成氣物流通過管線48進(jìn)入空冷冷凝器50，在此水蒸汽被冷凝成液態(tài)水，并從冷凝器底部通過管線52排出回用。從城市污水系統(tǒng)回收的廢水可用于氣化爐12。而管線52流出的全部或部分相當(dāng)純的水可以出售或再循環(huán)，以及與廢水混合通過管線38送入氣化爐12。二氧化碳?xì)庠诶淠?0中未被冷凝，通過冷凝器頂部和管線36以二氧化碳?xì)獾男问竭M(jìn)入氣化爐12。該二氧化碳在高溫氣化爐12中與爐內(nèi)的碳質(zhì)進(jìn)料反應(yīng)，生成更多的合成氣以便進(jìn)一步參加總反應(yīng)。CO2或其它溫室氣體可通過管線56進(jìn)入氣化爐12，以保持希望的原料H/C比。
為了全面闡述圖1，還要提到燃料電池26的另一半室，它包括在陰極60上進(jìn)行空氣還原。該標(biāo)準(zhǔn)空氣電極可以使通過管線64進(jìn)入的含氧氣體，一般是空氣，由下而上通過空氣電解質(zhì)66周圍和電極60。空氣流中的惰性組份，最主要是氮?dú)猓ㄟ^陰極半室并通過排放氣流68排出。盡管成本可能更高，陰極半室也可以使用純氧代替空氣以求獲得更高效率和產(chǎn)生更多的熱量。該燃料電池產(chǎn)生的主要是電能，可達(dá)4～9kw/標(biāo)準(zhǔn)立方英尺氫氣/分鐘。
從管線22來的合成氣在費(fèi)一托催化反應(yīng)器30中，在催化劑70上反應(yīng)生成高沸點(diǎn)烴，例如石蠟或其它有用烴產(chǎn)品，并通過管線76回收。這些石蠟，例如可以用作殼牌中等餾份合成(Shell Middle DistillatesSynthesis)過程的原料，在此通過反應(yīng)可生成石腦油、燃料氣和煤油，這些均為有價值的化學(xué)產(chǎn)品(見J.Eilers，s.A.Posthuma，和S.T.Sie，“The ShellMiddle Distillate Synthesis Process(SMDS)”，Catalysis Letter，7，pp.253-270(1990))。該文獻(xiàn)的有關(guān)部分作為參考結(jié)合在本發(fā)明詳述中。
這樣，通過管線10作為原料通入的全部碳物質(zhì)均以有用烴產(chǎn)品形態(tài)的碳物質(zhì)通過管線76回收，這就避免了當(dāng)烴原料氣化時排放的二氧化碳。而且不需要為從煙氣中回收二氧化碳而使用昂貴和麻煩的堿洗塔，這是通常的燃燒/蒸氣透平發(fā)電廠的配置。B.第二種實(shí)施方案，產(chǎn)生太陽能一甲醇燃料電池能而不產(chǎn)生有害的溫室氣體的方法。
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可用于生產(chǎn)甲醇，通過循環(huán)二氧化碳和電化學(xué)反應(yīng)制得的氫反應(yīng)生成“平衡的”最適合于生產(chǎn)甲醇的合成氣。在該生產(chǎn)過程中，“平衡的”合成氣中適宜的H2/CO＝2.00。圖2所示實(shí)施方案中，使用太陽能再生燃料電池系統(tǒng)將太陽能生產(chǎn)的氫氣轉(zhuǎn)化成甲醇，這種甲醇儲存比較安全，用于燃料電池在夜間或陰天條件下生產(chǎn)電能。該第二種實(shí)施方案中還采用了旋轉(zhuǎn)式廢料進(jìn)料器蒸氣重整系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中過熱蒸氣和氫與有機(jī)廢料反應(yīng)生成合成氣和輕烴。該氣體從旋轉(zhuǎn)進(jìn)料器出來送入高溫蒸氣重整器中，反應(yīng)后生成完全純凈的“平衡的”合成氣。
該第二種實(shí)施方案是對NASA提出的太陽能再生系統(tǒng)(G.E.Voecks，etal.Jet Propulsion Laboratory，Warshay，M.et al.NASA Lewis Research Center，Edwards，II.S.et al.，Navel Air Warfare Center，“Operation of the 25 kW NASALewis Research Center Solar Regenerative Fuel Cell Testbed Facility，”Paper#97295，International Energy Conversion Engineering conference，Proceedings，Vol.3，1999)的大改進(jìn)。后一系統(tǒng)要求將氫氣儲存以備供給燃料電池。氫氣儲存在有人居住的建筑物或居民區(qū)的隱蔽區(qū)域，從現(xiàn)在安全觀點(diǎn)出發(fā)是不能允許的。由一小型、自動化甲醇合成裝置生產(chǎn)的甲醇，是約50％的甲醇/水混合物。這種混合物具有理想的安全特性，它在室溫下，甚至有明火和過量空氣存在下均不易燃燒。這種50％甲醇混合物作為圖2所示燃料電池系統(tǒng)的進(jìn)料也最為適宜。與第二種實(shí)施方案的燃料電池相匹配的是低溫重整器和選擇性氧化器。該燃料電池系統(tǒng)采用商品化的PEM膜電池，它已用于早期開發(fā)的燃料電池汽車(即Daimler-Benz等)和公共汽車(喬治敦大學(xué))。單個電池可以以50或100kW大小購得。
圖2所示太陽能甲醇燃料電池系統(tǒng)是為東圣路易斯太陽住宅村(EastSt.Louis Solar Cluster Village)的示范裝置而設(shè)計的。該村將包括環(huán)繞娛樂中心而建的50套太陽能頂蓋的住宅，娛樂中心內(nèi)還安置了甲醇合成裝置、甲醇儲存和生產(chǎn)電能的燃料電池。該村的全套系統(tǒng)形成一個能量幾乎可以自給自足的系統(tǒng)，包括太陽能和家庭垃圾廢物的利用。當(dāng)不能使用太陽能時，儲存的甲醇驅(qū)動燃料電池生產(chǎn)住宅群和小型電解池所需的電能，該電解池用于生產(chǎn)甲醇合成裝置所需“平衡的”合成氣中的氫。多余的甲醇可用于該太陽能村居民的甲醇燃料電池小汽車和公共汽車。本發(fā)明第二實(shí)施方案中的這種太陽能甲醇燃料電池系統(tǒng)可以用于沒有公共基礎(chǔ)設(shè)施的邊遠(yuǎn)地區(qū)和發(fā)展中國家。
現(xiàn)在參見圖2流程，固體碳質(zhì)廢料通過管線100送入旋轉(zhuǎn)式廢料進(jìn)料器112中，將廢料轉(zhuǎn)化成氣體。該氣體從進(jìn)料器112出來，通過管線114和泵116進(jìn)入設(shè)有流化催化劑床122的高溫重整器120。廢料氣體在重整器120中，在約400℃～約700℃溫度下，轉(zhuǎn)化成“平衡的”合成氣。該平衡的合成氣從出口123通過管線124進(jìn)入甲醇合成裝置130。部分合成氣通過管線136送入進(jìn)料管線114，用以保持催化劑床的最低流化速率。從甲醇裝置130回收的甲醇通過管線142送入甲醇儲槽140。儲槽140中的甲醇經(jīng)過管線154進(jìn)入低溫蒸汽重整器150，轉(zhuǎn)化成合成氣。該合成氣經(jīng)過管線156進(jìn)入選擇性氧化催化劑熱交換器160反應(yīng)，將CO轉(zhuǎn)換成CO2，CO2通過管線162循環(huán)回到進(jìn)料管線114。而氫通過管線168，與目前可以買到的PEM燃料電池170的第一半室流動連通。第一半室的排出氣體大部分為水蒸汽，通過管線172再循環(huán)，與管線162的CO2一起送入進(jìn)料管線114。電解池180利用燃料電池170產(chǎn)生的電能174和太陽能板190提供的能量，將水分解為氫和氧。氫通過管線182送至進(jìn)料管線114，以保證可以生產(chǎn)“平衡的”合成氣并送入甲醇裝置130。電解池180生成的氧通過管線184進(jìn)入燃料電池的第二半室，用作燃料電池陰極最適宜的含氧氣體，以生產(chǎn)電能174和熱能186。由PV(聚乙烯基)太陽能電池板190產(chǎn)生的熱能192與燃料電池170產(chǎn)生的熱能186結(jié)合，使第二種實(shí)施方案達(dá)到能量平衡。多余的熱能186可以出售。儲槽150中多余的甲醇經(jīng)由管線194，可用作前述的燃料源。C.第三種實(shí)施方案，使用帶有循環(huán)的綜合氣化燃料電池而不產(chǎn)生有害溫室氣體的方法。
本發(fā)明方法和系統(tǒng)的第三種實(shí)施方案包括一個小型發(fā)電廠的較大規(guī)模的系統(tǒng)，使用煤和廢料的混合物作為原料。圖3所示實(shí)施方案中，采用高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)，這種燃料電池可以接受氣化裝置或氣化爐生產(chǎn)的合成氣。燃料電池產(chǎn)生的CO2沒有明顯摻雜空氣，因之可以循環(huán)。
SOFC燃料電池與三級透平機(jī)組聯(lián)合循環(huán)體系，作為發(fā)電廠可以達(dá)到68％～74％的高效率。(見S.C.Singhal，“Advances in Tubular Solid OxideFuel Cell Technology”，Proceeding ofthe 4thInternational Symposium on SolidOxide Fuel Cell，Pennington，N.J.Vol.95-1，195-207(1995)；和W.I.Lundberg，“Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine Power Plant Cycles and PerformanceEstimates”，Power-Gen International，96，Orlando，F(xiàn)L.(Dec.4-6，1996))。SOFC的空氣進(jìn)料用一臺透平驅(qū)動壓縮機(jī)增壓，然后在回收SOFC廢熱的“熱回收裝置”中加熱。該加熱的空氣隨后進(jìn)入透平機(jī)第二段進(jìn)行膨脹發(fā)電。最后，氣化爐產(chǎn)生的部分蒸汽與SOFC產(chǎn)生的蒸汽一起推動蒸汽透平機(jī)的第三段。水冷凝器的目的是接受SOFC排出的含有CO2和水蒸汽的氣體，并將水分出，以制造蒸汽透平機(jī)使用的蒸汽，并回收CO2，循環(huán)用于氣化爐。雖然此水冷凝器僅象征性地表示為一個很簡單的設(shè)備，但它有一個換熱器作為該裝置的一部分，以便有效地將水冷凝和將分離的水在其進(jìn)入氣相“熱回收裝置”之前再沸，此“熱回收裝置”產(chǎn)生高溫蒸汽，送至蒸汽透平機(jī)。
蒸汽透平機(jī)是燃料電池整套設(shè)備的一個組成部分，由其排出的低壓蒸汽可以提供給與發(fā)電廠毗鄰的界區(qū)外用戶，如其生產(chǎn)需要的低溫?zé)崮?。該流程避免使用蒸汽羽狀排放的大型冷卻塔。這樣顯著節(jié)約了費(fèi)用，并對環(huán)境有利。
圖2流程中設(shè)置了接受燃料電池輸出的電能的電解池，能使裝置進(jìn)行負(fù)荷跟蹤，同時保持煤進(jìn)料和蒸汽重整器在恒定通量的條件下操作。裝置電能輸出量可通過改變電解池用電量而改變，以生產(chǎn)和儲存過量的氫和氧。在用電高峰期間，可以將這些過量的氫輸入燃料電池，大大增加燃料電池的發(fā)電量。
在圖3所示的第三種實(shí)施方案中，固體碳質(zhì)廢料以煤或固體廢料的形態(tài)，通過管線200進(jìn)入濕式研磨機(jī)212，并與通過管線214加入的水或液體廢料混合，制成適宜密度的漿液。將此漿液從進(jìn)料器212通過進(jìn)料管線216送入兩段氣化爐220的第一段218的入口219。通過管線222通入氧氣與第一段218中的漿液混合。該漿液在氣化爐220的第二段224中，在約800℃～1600℃溫度下轉(zhuǎn)化成合成氣。副產(chǎn)物殘渣從第二段224底部通過管線226回收。合成氣從第二段224通過管線228去脫硫裝置230。二硫化碳副產(chǎn)物從裝置230底部通過管線232回收。從裝置230出來的基本上無硫的合成氣通過管線234進(jìn)入SOFC燃料電池240的第一半室236。第一半室236排出的氣體主要含有水蒸汽和CO2，通過管線244去水冷凝器250。CO2通過管線252循環(huán)回到氣化爐220的第一段218。從燃料電池240回收的氮?dú)鈴U熱258被收集在熱回收裝置260中。從熱回收裝置出來的氮?dú)馔ㄟ^管線262放空。通過管線264供給燃料電池240第二半室266的空氣，經(jīng)氣體透平機(jī)組272第一段壓縮機(jī)270增壓，并通過管線274經(jīng)過熱回收裝置260。從熱回收裝置260出來的經(jīng)加熱的空氣，經(jīng)由管線282進(jìn)入燃料電池240之前，先在透平機(jī)組272的第二段透平機(jī)280膨脹。管線284中的水，在氣化爐220中的廢熱再沸器286的第二段224轉(zhuǎn)化成蒸汽。來自冷凝器250的管線292中的冷凝水，在熱回收裝置260中轉(zhuǎn)化成蒸汽。管線294中來自氣化爐220第二段224的蒸汽，和管線296中來自熱回收裝置260的蒸汽，用作透平機(jī)組272第三段透平機(jī)290的動力。
另外，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以提出本發(fā)明方法和系統(tǒng)的各種其它實(shí)施方案和形式，以使其適應(yīng)特定的用途和條件。這樣，這些改變和改進(jìn)是合理的、正確的，并且是在下述權(quán)利要求等價物的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種將碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將碳質(zhì)原料和溫室氣體流在氣化裝置中轉(zhuǎn)化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)上述氣化裝置出來的合成氣的至少一部分在燃料電池的第一半室中進(jìn)行電化學(xué)氧化，生成含有二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(c)回收上述第一半室排出氣體中的二氧化碳，作為至少一部分(a)步的溫室氣體流；和(d)在上述燃料電池第二半室中進(jìn)行含氧氣體的電化學(xué)還原反應(yīng)，完成循環(huán)并生產(chǎn)出電能。
2.權(quán)利要求1的方法，其中(a)步所用碳質(zhì)原料選自煤、烴油、天然氣、石油焦、油頁巖、廢油、有毒廢物、醫(yī)療廢物及其混合物。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述溫室氣體流是二氧化碳。
4.權(quán)利要求1的方法，用于生產(chǎn)電能的礦物燃料工廠。
5.權(quán)利要求1的方法，用于煉油廠。
6.權(quán)利要求1的方法，用于石油化工廠。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述氣化裝置內(nèi)設(shè)流化催化劑床，并在約400℃～約700℃(750°F～1300°F)溫度下操作。
8.權(quán)利要求1的方法，其中來自所述氣化裝置的合成氣的一部分在化學(xué)反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化成有用的烴產(chǎn)品。
9.權(quán)利要求8的方法，其中所述化學(xué)反應(yīng)器是費(fèi)一托反應(yīng)器。
10.權(quán)利要求9的方法，其中來自第一半室排出氣體的大部分水采用冷凝器進(jìn)行冷凝。
11.權(quán)利要求10的方法，其中將氫和至少一部分冷凝水以一定量通入所述氣化裝置中，以調(diào)節(jié)混合的碳質(zhì)原料和溫室氣體流的氫碳化，以生產(chǎn)費(fèi)一托反應(yīng)器所需的最佳比例的合成氣。
12.權(quán)利要求11的方法，其中所述合成氣的氫碳比為約1.75～約2.25。
13.權(quán)利要求9的方法，其中調(diào)節(jié)(a)步中的溫室氣體流量，以使進(jìn)入所述氣化裝置的混合碳質(zhì)原料和溫室氣體流的氫/一氧化碳比為約1.75～約2.25。
14.權(quán)利要求1的方法，其中(d)步的含氧氣體是空氣，在電還原過程中產(chǎn)生的氮排入大氣中。
15.權(quán)利要求1的方法，其中所述燃料電池的第一半室含有圍繞多孔的催化陽極的電解質(zhì)。
16.權(quán)利要求15的方法，其中所述燃料電池的第二半室含有圍繞催化陰極的空氣電解質(zhì)。
17.權(quán)利要求16的方法，其中所述燃料電池的第一和第二半室利用一個離子導(dǎo)電膜隔開，各半室內(nèi)的組份不能通過該膜。
18.一種將碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為能量，且無有害溫室氣體排放的系統(tǒng)，包括(a)一氣化裝置，設(shè)有碳質(zhì)原料和溫室氣體流入口，將混合原料轉(zhuǎn)化成包括一氧化碳和氫的合成氣的催化劑，和合成氣出口；(b)生產(chǎn)電能的燃料電池，包括第一半室，具有與合成氣流動連通的入口和用于將合成氣電化學(xué)氧化生成二氧化碳和水組成的第一半室排出氣體的另一手段；第二半室，具有用于將含氧氣體電化學(xué)還原的另二手段；以及隔離第一和第二半室的膜，各半室內(nèi)的組份均不能通過它；和(c)二氧化碳的通路方式，該二氧化碳從第一半室出來，作為通入所述氣化裝置的溫室氣體流的至少一部分。
19.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中(a)步所用碳質(zhì)原料選自煤、烴油、天然氣、石油焦、油頁巖、廢油、有毒廢物、醫(yī)療廢物以及其混合物。
20.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中溫室氣體流是二氧化碳。
21.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述氣化裝置內(nèi)設(shè)流化催化劑床，并在約400℃～約700℃溫度下操作。
22.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中一化學(xué)反應(yīng)器與所述氣化裝置流體連通，并將來自所述氣化裝置的合成氣轉(zhuǎn)化成有用烴產(chǎn)品。
23.權(quán)利要求22的系統(tǒng)，其中所述化學(xué)反應(yīng)器是費(fèi)一托反應(yīng)器。
24.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中使用冷凝器將來自所述第一半室排出氣體中的大部分水冷凝。
25.權(quán)利要求24的系統(tǒng)，其中將氫和至少一部分冷凝水以一定量通入所述氣化裝置中，以調(diào)節(jié)混合的碳質(zhì)原料和溫室氣體流的氫碳比，以生產(chǎn)費(fèi)一托反應(yīng)器所需的最佳比例的合成氣。
26.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其中所述合成氣的氫碳比為約1.75～約2.25。
27.權(quán)利要求23的系統(tǒng)，其中調(diào)節(jié)(a)步中的溫室氣體流量，以使進(jìn)入所述氣化裝置的混合碳質(zhì)原料和溫室氣體流的氫/一氧化碳比為約1.75～約2.25。
28.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中含氧氣體是空氣，而由離子還原形成的氮?dú)馀湃氪髿狻?br> 29.權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中所述燃料電池第一半室含有圍繞多孔催化陽極的電解質(zhì)。
30.權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中所述燃料電池的第二半室含有圍繞催化陰極的空氣電解質(zhì)。
31.一種可將碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將有機(jī)廢物原料與所述反應(yīng)器中的二氧化碳?xì)怏w流在一高溫蒸汽重整反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)將來自上述反應(yīng)器的合成氣的至少一部分轉(zhuǎn)化成甲醇；(c)將上述甲醇在燃料電池的第一半室中直接電化學(xué)氧化成包括二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(d)回收第一半室排出氣體中的二氧化碳，作為(a)步二氧化碳?xì)饬鞯闹辽僖徊糠?；?e)含氧氣體在所述燃料電池的第二半室中進(jìn)行電化學(xué)還原，產(chǎn)生電能。
32.權(quán)利要求31的方法，其中所述燃料電池利用一種預(yù)轉(zhuǎn)化方法，將甲醇轉(zhuǎn)化為氫和二氧化碳，并將氫作為燃料電池第一半室的原料。
33.權(quán)利要求32的方法，其中所述轉(zhuǎn)化方法包括一個低溫蒸汽重整器和一個選擇性氧化器，并且其中來自所述選擇性氧化器的二氧化碳作為(a)步的二氧化碳?xì)饬鞯囊徊糠?，而來自所述選擇性氧化器的氫在第一半室進(jìn)行電化學(xué)氧化。
34.權(quán)利要求31的方法，其中所述電能供給裝有太陽能板的建筑物在夜間和陰天條件下使用。
35.權(quán)利要求34的方法，其中電解池產(chǎn)生的氫用于生產(chǎn)甲醇合成所需平衡氣，所述電解池由所述電能提供電力。
36.權(quán)利要求35的方法，其中所述電解池產(chǎn)出的氧循環(huán)回到第二半室作為含氧氣體的至少一部分。
37.權(quán)利要求34的方法，其中所述有機(jī)廢物原料是城市垃圾。
38.一種可將碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化為能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將有機(jī)廢物原料與所述反應(yīng)器中的二氧化碳?xì)怏w流在一高溫蒸汽重整反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)將來自上述反應(yīng)器的合成氣的至少一部分轉(zhuǎn)化成甲醇；(c)將上述甲醇在燃料電池的第一半室中直接電化學(xué)氧化成包括二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(d)回收第一半室排出氣體中的二氧化碳，作為(a)步二氧化碳?xì)饬鞯闹辽僖徊糠?；?e)含氧氣體在所述燃料電池的第二半室中進(jìn)行電化學(xué)還原，產(chǎn)生電能。
39.權(quán)利要求38的方法，其中所述燃料電池利用一種預(yù)轉(zhuǎn)化方法，將甲醇轉(zhuǎn)化為氫和二氧化碳，并將氫作為燃料電池第一半室的原料。
40.權(quán)利要求39的方法，其中所述轉(zhuǎn)化方法包括一個低溫蒸汽重整器和一個選擇性氧化器，并且其中來自所述選擇性氧化器的二氧化碳作為(a)步的二氧化碳?xì)饬鞯囊徊糠郑鴣碜运鲞x擇性氧化器的氫在第一半室進(jìn)行電化學(xué)氧化。
41.權(quán)利要求38的方法，其中所述電能供給裝有太陽能板的建筑物在夜間和陰天條件下使用。
42.權(quán)利要求41的方法，其中電解池產(chǎn)生的氫用于生產(chǎn)甲醇合成所需平衡氣，所述電解池由所述電能提供電力。
43.權(quán)利要求42的方法，其中所述電解池產(chǎn)出的氧循環(huán)回到第二半室作為含氧氣體的至少一部分。
44.權(quán)利要求41的方法，其中所述有機(jī)廢物原料是城市垃圾。
45.一種將碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將碳質(zhì)原料和二氧化碳?xì)饬髟跉饣b置中轉(zhuǎn)化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)出自所述氣化裝置的合成氣的至少一部分，在固體氧化物燃料電池第一半室中進(jìn)行電化學(xué)氧化，生成包括二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(c)將所述半室排出氣體中的水在冷凝器中冷凝，并將大部分水從二氧化碳中分離出來；(d)出自冷凝器的二氧化碳用作所述(b)步溫室氣體的至少一部分；(e)回收所述第一半室排出氣體中的二氧化碳，用作所述(a)步二氧化碳?xì)饬鞯闹辽僖徊糠?；?f)含氧氣體在所述燃料電池第二半室中進(jìn)行電化學(xué)還原，結(jié)果產(chǎn)生電能。
46.權(quán)利要求45的方法，其中所述原料選自與水或液體廢物混合的煤、油頁巖、固體廢物及其混合物。
47.權(quán)利要求45的方法，其中所述燃料電池發(fā)出的熱量用熱回收裝置回收。
48.權(quán)利要求47的方法，其中沸騰器的進(jìn)水在所述氣化器中轉(zhuǎn)化成高壓蒸汽，用于驅(qū)動三級蒸汽透平機(jī)的第三段。
49.權(quán)利要求46的方法，其中含氧氣體在所述熱回收裝置中加熱，后經(jīng)膨脹，用于驅(qū)動所述三級蒸汽透平機(jī)的第二段，并用于(f)步。
50.權(quán)利要求45的方法，其中出自所述氣化裝置的合成氣，在去所述燃料電池進(jìn)行電化學(xué)氧化之前，在脫硫裝置中進(jìn)行脫硫。
全文摘要
本發(fā)明的方法和系統(tǒng)將來自礦物燃料和其它可燃原料的碳質(zhì)原料轉(zhuǎn)化成電能,且無有害的溫室氣體排放。該方法和系統(tǒng)使用氣化爐(112)和重整器(120)相結(jié)合的流程,將原料和溫室氣體轉(zhuǎn)化成包括一氧化碳和氫氣的合成氣。合成氣的一部分在產(chǎn)生電能的燃料電池(120)中經(jīng)電化學(xué)氧化生成二氧化碳和水組成的排放氣體,將其分離后,二氧化碳循環(huán)回到氣化爐。另一部分,從氣化爐出來的合成氣轉(zhuǎn)化成有用的烴產(chǎn)品。
文檔編號H01M8/04GK1329761SQ99813930
公開日2002年1月2日 申請日期1999年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月5日
發(fā)明者特里·R·加洛韋 申請人:特里·R·加洛韋