用于电力生产和集成的氢气生产的系统和方法技术方案

本公开涉及可用于电力生产的系统和方法。特别是，利用CO2作为工作流体的包括第一燃烧室(102)和涡轮机(103)的电力生产循环可以被配置用于在另外的氢气生产单元中同时生产氢气。有利的是，由电力生产和氢气生产中的燃烧产生的基本上所有的碳都以二氧化碳的形式被捕获。此外，所生产的氢气(任选地与从空气分离单元接收的氮气(160)混合)可以作为燃料输入燃气轮机联合循环单元中以在其中用于额外的电力生产而没有任何大气CO2排放。

System and Method for Hydrogen Production in Electric Power Production and Integration

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于电力生产和集成的氢气生产的系统和方法
本公开提供了电力生产系统和方法，其中利用CO2循环流体的电力生产循环可以被配置用于同时生产氢气。
技术介绍
长期以来，氢气(如用于燃料电池中)由于它与储存能源之间来回的清洁转化而被认为是一种理想的能源。举例来说，使用燃料电池，有利地连同高容量蓄电池一起，氢气可以用作用于电动车辆推进的燃料。有利的是，使用氢气作为燃料可以消除CO2、NOx、CO以及烃排放并且因此显著减少空气污染。然而，实现以氢气为基础的世界经济的任何途径都将需要非常大的氢气生产能力。此外，这样的氢气生产方法将需要能够同时实现低氢气生产成本以及捕获接近100％的源自于所利用的化石燃料的CO2。氢气用作燃料源也可以有益于减少或消除与更常规的电力生产过程相关的二氧化碳排放。举例来说，可以将氢气用氮气和/或蒸汽稀释并且用作燃气轮机联合循环发电系统中的燃料。燃气轮机联合循环发电系统是全世界范围内发电的主要来源，这是因为它们能够在低热值(LHV)基础上以60％范围内的效率从天然气生产电力。尽管具有理想的效率，但是这样的系统仍然存在问题，这是因为燃料中的碳会作为二氧化碳被排放到大气中。为了克服这个问题，有可能使用CO2代替空气作为工作流体来操作燃气轮机，这是通过将涡轮机排放CO2气体在冷却和去除产品CO2之后再循环到燃气轮机压缩机区段的入口来实现的。这也存在问题，这是因为燃料必须在纯氧中燃烧以仅产生CO2和水作为燃烧产物，并且这需要添加空气分离设备，这会造成对工艺效率的消耗。常常使用化学和/或物理溶剂洗涤处理来处理燃气轮机排气以去除CO2；然而，这样的处理可以提供混合的结果并且由于增加了排气处理系统和维护的成本而再次降低工艺效率。如上文所述，有可能通过利用氢气作为燃气轮机中的燃料来消除碳排放；然而，这种方法需要优先提供而没有相关的CO2产生的一致的氢源。由于使用氢气作为燃料源的可取性，因此仍然需要以低成本提供氢燃料而基本上不向大气排放CO2的手段。
技术实现思路
本公开涉及将电力生产和氢气生产组合的系统和方法。具体来说，电力生产(例如电力)和氢气生产可以通过烃燃料的燃烧同时实现。更具体来说，可以使烃燃料燃烧以提供包括氢气和/或被转化成氢气的燃烧产物。此外，可以在基本上零碳排放的情况下生产氢气，并且所述氢气可以用作用于电力生产的燃料。在一些实施方案中，本公开还可以涉及利用氧气在催化反应和/或非催化反应中部分氧化烃燃料来产生氢气(H2)和一氧化碳(CO)的系统和方法。举例来说，可以使用部分氧化非催化反应器(POX)或催化自热反应器(ATR)。在烃燃料的部分氧化之后可以使用气体加热重整器(GHR)以与POX反应器或ATR反应器串联或并联模式，通过利用POX反应器系统和/或ATR反应器系统中的排气显热以为在GHR中发生的吸热催化蒸汽加天然气重整反应提供热量来产生另外的H2和CO(即合成气)。在一个或多个实施方案中，本专利技术的系统和方法可以利用在制氢设备中产生的余热(例如在低于400℃的温度水平下)以为所述电力生产系统和方法提供额外的热量输入。这种增加的热量可以有益于帮助实现高发电效率。在其他实施方案中，本公开包括向H2+CO合成气产生反应器提供使燃料流(例如天然气)和蒸汽进料流中的一个或这两者过热所需的热量。这可以例如使用源自于来自电力生产系统和方法的涡轮机排出流的热量来实现。在另外的实施方案中，本专利技术的系统和方法可以利用变压吸附(PSA)系统从冷却的粗制氢气流中分离纯的高压氢气。这可以例如在通过与蒸汽进行催化变换反应将CO转化成H2之后实现。在另外的实施方案中，本公开可以提供用于制氢设备的燃料中存在的基本上所有的碳的回收。举例来说，这可以通过压缩来自PSA的废气并且使用它作为用于电力生产循环系统和方法的燃料气体的一部分来实现，其中从冷却的涡轮机排气流中回收CO2。如果需要的话，用于电力生产循环系统和方法中的氧气的一部分或全部可以从低温空气分离设备或具有低压空气进料的氧离子传输膜(ITM)氧-燃料燃烧室供应。制氢设备可以利用高达105巴的压力的高压气态氧气流作为POX和/或ATR的进料，从而从PSA产生高达95巴的基本上纯的H2。供应高压氧的低温空气分离设备对于提供氧气可以是特别有用的。此外，如果需要的话，可以使用第二燃料氧燃烧室来加热燃气轮机排气以为制氢设备燃料、氧气以及蒸汽进料流中的任何一个或多个提供预热。可以向它供应涡轮机排出压力的气态氧气流，但是这优先地可以在O2燃烧器喷射系统中用CO2稀释以控制绝热火焰温度。第二替代方案是使用被供给预热的低压空气的ITM燃烧室，使用与燃气轮机排气共混的预热的天然气流来预热涡轮机排气，其将与扩散氧气一起燃烧并且为合成气反应器的天然气流和蒸汽进料流提供必要的过热。在一个或多个实施方案中，本公开可以提供一种电力生产系统或单元，其可以被配置用于同时进行电力生产和氢气生产。具体来说，所述系统可以包括：燃烧室；涡轮机；回热式热交换器；水分离器；压缩机；以及集成的氢气生产系统或单元。在一个或多个实施方案中，本公开可以提供一种用于电力生产的方法。具体来说，所述方法可以包括以下：在第一燃烧室中将含碳燃料在再循环的CO2流存在下在燃烧压力下用氧化剂燃烧以提供包括CO2的燃烧产物流；使所述燃烧产物流在涡轮机中膨胀以产生电力并且形成包括CO2的涡轮机排出流；在回热式热交换器中冷却所述包括CO2的涡轮机排出流；将CO2与所述涡轮机排出流的任何另外的组分分离以提供再循环的CO2流；将所述再循环的CO2流压缩到基本上燃烧压力；从所述再循环的CO2流中去除源自于烃或含碳燃料中碳的燃烧的CO2；将所述压缩的再循环CO2流在所述回热式热交换器中用从所述涡轮机排气流中提取的热量和/或以低于约400℃的温度水平供应的外部热量加热；使任选预热的含碳燃料(以及任选的氧气和/或蒸汽)通过POX或ATR，任选地随后通过GHR以形成合成气流，所述合成气流特别可以包含H2和CO；将所述合成气冷却以产生高压蒸汽；使所述合成气通过一个或多个催化变换反应器，有效地将CO和H2O转化成H2和CO2；从所述合成气流中分离H2；以及在从所述合成气流中分离H2之后将剩余的燃料气体通到第一燃烧室和第二燃烧室中的一个或这两者中。在上述方法中，应当了解的是，并非所有所述步骤都必须在每一个可能的实施方案中进行。相反，上述步骤中的一个或多个可以是任选的，并且本领域技术人员在了解本公开的情况下将能够识别可以在单独的实施方案中进行的步骤的各种可能组合。除了上述之外，本专利技术公开的系统和方法还可以关于另外的要素和配置进一步限定。举例来说，以下任何一个或多个可以适用。氢气生产可以具体地使用至少两个反应器进行，如部分氧化反应器和气体加热重整器反应器。用于合成气生产的烃进料流和/或蒸汽进料流的高温加热可以利用源自于电力生产循环的热量。具体来说，所述热量可以源自于电力生产循环涡轮机排气的至少一部分。可以在多床变压吸收单元中将氢气与一种或多种废物组分分离。与氢气分离的一种或多种废物组分可以被压缩并且用作电力生产循环中燃料的一部分。源自于在氢气生产系统和方法中用作燃料进料的烃燃料的基本上所有的碳可以作为高压CO2流被回收，所述高压CO2流可以适合于引入到CO2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于组合的电力生产和氢气生产的系统，所述系统包括：电力生产单元，其中加压的二氧化碳膨胀以用于电力生产；氢气生产单元，其中烃燃料被部分氧化以产生合成气，从所述合成气中分离氢气；以及一个或多个流动部件，其被配置用于使一个或多个流在所述电力生产单元与所述氢气生产单元之间通过。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.09 US 62/419,5521.一种用于组合的电力生产和氢气生产的系统，所述系统包括：电力生产单元，其中加压的二氧化碳膨胀以用于电力生产；氢气生产单元，其中烃燃料被部分氧化以产生合成气，从所述合成气中分离氢气；以及一个或多个流动部件，其被配置用于使一个或多个流在所述电力生产单元与所述氢气生产单元之间通过。2.如权利要求1所述的系统，其中所述电力生产单元包括：燃烧室，其被配置成接收烃燃料和氧气并且输出包含至少所述加压的二氧化碳的加热流；涡轮机，其被配置成接收和膨胀来自所述燃烧室的包含所述加压的二氧化碳的所述加热流以生产所述电力并且形成包含膨胀的二氧化碳的加热流；回热式热交换器，其被配置成接收包含所述膨胀的二氧化碳的所述加热流并且形成包含二氧化碳的冷却流；分离器，其被配置成接收来自所述回热式热交换器的包含所述二氧化碳的所述冷却流并且提供所述二氧化碳流；以及压缩机，其被配置成接收来自所述分离器的所述二氧化碳流并且压缩所述二氧化碳。3.如权利要求2所述的系统，其中所述氢气生产单元包括：部分氧化燃烧室，其被配置成接收氧气和所述烃燃料的一部分并且输出所述合成气；重整器，其与所述部分氧化燃烧室处于流体连通并且被配置成接收来自所述部分氧化燃烧室的所述合成气并且接收所述烃燃料的一部分；变换反应器，其与所述重整器处于流体连通；变换流热交换器，其与所述变换反应器处于流体连通；分离器，其与所述变换流热交换器处于流体连通；以及变压吸附单元，其与所述分离器处于流体连通；其中所述变压吸附单元被配置成输出基本上纯的氢气流。4.如权利要求3所述的系统，其中由通过所述变换流热交换器的烃燃料管线向所述部分氧化燃烧室和所述重整器提供所述烃燃料。5.如权利要求3所述的系统，其中所述烃燃料管线通过补充热交换器，所述补充热交换器被配置成接收和冷却离开所述电力生产单元的涡轮机的包含所述膨胀的二氧化碳的所述加热流。6.如权利要求3所述的系统，所述系统还包括水管线，所述水管线被配置用于将水通到所述重整器。7.如权利要求6所述的系统，其中所述水管线通过所述变换流热交换器。8.如权利要求6所述的系统，其中所述水管线通过补充热交换器，所述补充热交换器被配置成接收和冷却离开所述电力生产单元的涡轮机的包含所述膨胀的二氧化碳的所述加热流。9.如权利要求3所述的系统，其中所述变压吸附单元被配置成输出与所述基本上纯的氢气流分离的废物流，其中所述废物流包含一氧化碳、二氧化碳、氢气、甲烷、氩气以及氮气中的一种或多种。10.如权利要求9所述的系统，其中所述被配置用于使一个或多个流在所述电力生产单元与所述氢气生产单元之间通过的一个或多个流动部件包括用于将所述废物流的至少一部分从所述变压吸附单元通到所述电力生产单元的燃烧室中的管线。11.如权利要求3所述的系统，其中所述电力生产单元还包括附加热交换器，所述附加热交换器被配置成将基本上纯的二氧化碳流相对于来自所述电力生产单元的一个或多个压缩流加热。12.如权利要求11所述的系统，其中所述附加热交换器进一步被配置成将所述基本上纯的二氧化碳流相对于来自所述氢气生产单元的流加热。13.一种用于组合的电力生产和氢气生产的方法，所述方法包括：在电力生产单元中进行电力生产，所述电力生产包括：在第一燃烧室中将第一烃燃料在再循环的CO2流存在下在燃烧压力下用氧化剂燃烧以提供包含CO2的燃烧产物流；使所述包含CO2的燃烧产物流在涡轮机中膨胀以生产电力并且形成包含CO2的涡轮机排出流；在回热式热交换器中冷却所述包含CO2的涡轮机排出流；将C...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·J·奥勒姆，
申请(专利权)人：八河流资产有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US