[发明专利]用于电力生产和集成的氢气生产的系统和方法

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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、NO_x、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。

发明内容

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，本发明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。