CN115368938A - 用于从煤生产电力和/或化学品的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于生产电力和/或化学品的系统和方法。该系统包括气化器、控制器、固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元和化学合成单元。气化器将化石燃料、氧气和水转化成包含氢气和一氧化碳的合成气。控制器用于控制氢气在第一部分氢气和第二部分氢气中的分配。固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元接收第一部分氢气以及压缩空气或者氧气，并利用所述第一部分氢气发电。化学合成单元接收第二部分氢气，并利用所述第二部分氢气进行化学合成。本发明提供的系统和方法具有产生电力和/或化学品的能力，具有根据需要控制数量和比例的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及化学品和发电领域。更具体地，涉及使用诸如煤的化石燃料发电和/或生产化学品的系统和方法。
背景技术
化石燃料如煤、油和天然气可用于在以化石燃料为燃料的发电厂中发电。储存在这种化石燃料中的化学能被转化为热能、机械能，然后转化为电能。例如，化石燃料在空气或氧气中燃烧以产生热能，该热能用于将水煮沸成蒸汽。蒸汽用于转动涡轮机和发电。
煤气化是一种燃烧煤以产生合成气的方法。大型煤气化装置用于发电。
发明内容
本发明提供了一种使用化石燃料如煤来发电和/或生产化学品的系统和方法。
根据一些实施方式，该系统包括气化器、控制器、固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元和化学合成单元。气化器被配置为将化石燃料、氧气和水转化成包含氢气和一氧化碳的合成气。控制器被配置为控制氢气在第一部分氢气和第二部分氢气中的分配。固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元被配置为接收所述第一部分氢气以及压缩空气或者氧气，并利用所述第一部分氢气发电。化学合成单元被配置为接收所述第二部分氢气，并利用第二部分氢气进行化学合成。
在一些实施方式中，化石燃料为煤。在一些实施方式中，该系统还包括空气分离单元(ASU)，其被配置为从空气中分离氧气和氮气，将氧气提供至气化器，将氮气提供至化学合成单元。化学合成单元被配置为使用氢气和氮气生成氨。在一些实施方式中，氮气和氢气可以作为单独的产品以压缩或液体形式单独捕获。
在一些实施方式中，该系统还包括净化装置，所述净化装置流体联接到所述气化器，并且被配置为除去来自气化器的所述合成气中的硫和其它污染物。该系统还可以包括水煤气变换(WGS)反应器，其被配置为用水或蒸汽将合成气中的一些或全部一氧化碳转化成二氧化碳，以便增加合成气中的氢气含量。因此氢气与二氧化碳的比例增加。该系统还可以包括与WGS反应器流体连接的分离器。分离器被配置为除去合成气中的二氧化碳以用于封存。
在一些实施方式中，该系统还包括与SOFC发电单元连接的燃烧器。燃烧器被配置为燃烧掉来自SOFC发电单元的合成气残余物。该系统还可以包括热回收蒸汽发生器(HRSG)，其被配置为利用从气化器、SOFC发电单元、燃烧器和其他单元回收的热。
在一些实施方式中，控制器被配置为调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例。控制器可以包括一个或多个处理器和至少一个有形的、非暂时性的机器可读介质，该介质用一个或多个程序编码，该程序被配置为调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例。在一些实施方式中，控制器被配置为基于电网基本负荷、SOFC发电单元的百分比负荷和/或用于保持化学合成单元运行的第二部分氢气的预定最小量来调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例。例如，在一些实施方式中，基于电网基本负荷和SOFC动力单元的百分比负荷控制第一部分氢气与第二部分氢气的比例。在一些实施方式中，基于电网基本负荷和SOFC动力单元的百分比负荷控制第一部分氢气与第二部分氢气的比例，同时分配至少预定最小量的第二部分氢气以保持化学合成单元连续运行。
在另一方面，本发明提供了一种方法。这种方法包括以下步骤：在气化器中将化石燃料、氧气和水转化为包含氢气和一氧化碳的合成气，使用控制器将合成气中的氢气分配为第一部分氢气和第二部分氢气，在固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元中使用第一部分氢气和压缩空气或氧气发电，以及在化学合成单元中使用第二部分氢气进行化学合成。
在一些实施方式中，化石燃料为煤。氨在化学合成单元中产生。氧气和氮气可以在空气分离单元(ASU)中从空气中分离得到，同时氧气被提供至气化器，并且氮气被提供至化学合成单元。在一些实施方式中，氮气和氢气可以作为单独的产品以压缩或液体形式单独捕获。
该方法还可以进一步包括其他步骤。例如，在流体连接到所述气化器的净化装置中除去来自气化器的合成气中的包括硫的污染物。合成气中的部分或全部一氧化碳可与水反应并在水煤气变换(WGS)反应器中转化为二氧化碳，以便增加合成气中的氢气含量或氢气与二氧化碳的比例。合成气中的二氧化碳可以在分离器中除去。除去的二氧化碳用于封存。
在一些实施方式中，第一部分氢气与第二部分氢气的比例由控制器控制。控制器包括一个或多个处理器和至少一个有形的、非暂时性的机器可读介质，该介质用一个或多个程序编码，所述程序被配置为执行功能，例如，调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例。在一些实施方式中，基于电网基本负荷和SOFC发电单元的百分比负荷，调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例。例如，第一部分氢气的百分比为电网基本负荷和SOFC发电单元的百分比负荷的乘积。剩余部分是第一部分氢气和第二部分氢气中第二部分氢气的百分比。
在一些实施方式中，保持至少预定最小量的第二部分氢气以保持化学合成单元运行。在这种预定量以上，第一部分氢气的百分比为电网基本负荷和SOFC发电单元的百分比负荷的乘积。
在一些实施方式中，控制器被配置为向一个或多个阀提供具有指令的信号以控制氢气比例。控制过程可以手动或自动执行。对于用于发电的第一部分氢气，其可以是含有一氧化碳(CO)的混合物。除了氢气之外，CO还可以用作固体氧化物燃料电池中的起始材料。或者可以耐受少量CO。对于用于化学合成的第二部分氢气，可以使用额外的纯化方法以除去任何一氧化碳或二氧化碳残余物，并将高纯度的氢气提供至化学合成单元。
在一些实施方式中，该方法还包括在燃烧器中燃烧从SOFC发电单元排出的合成气残余物。来自气化器、SOFC发电单元、燃烧器和其它单元的热量可以回收，然后用在热回收蒸汽发生器(HRSG)中用于产生蒸汽。
本发明中提供的系统、控制器和方法具有许多优点。例如，该系统具有产生电力和/或化学品的能力，具有根据需要控制数量和比例的灵活性。
附图说明
当结合附图阅读时，从以下详细描述可以最好地理解本发明。需要强调的是，根据惯例，附图的各种特征不一定按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意扩大或缩小。在整个说明书和附图中，相同的附图标记表示相同的特征。
图1是根据一些实施例的用于产生电力和/或化学品的示例性系统的框图。
图2是根据一些实施例的示例性控制器的框图，该控制器包括一个或多个处理器和至少一个用一个或多个程序编码的有形的、非暂时性的机器可读介质，用于控制电力和/或化学品生产的氢供应。
图3A-3B是根据一些实施例的用于生产电力和/或化学品的示例性方法的流程图。
图4是在一段时间内，例如在一些实施方式中为一周内，示例性燃煤发电厂的百分比负荷变化的示例性曲线。
图5是在一段时间内，例如在一些实施方式中为24小时内，示例性燃煤发电厂的百分比负荷变化的示例性曲线
图6A-6B分别示出了根据一些实施方式中的示例性控制方法中，基于图5中的百分比负荷变化的分配到固体氧化物燃料电池发电单元的氢气的百分比和分配到化学合成单元的氢气的百分比。
图7示出了根据一些实施例中的示例性控制方法中，基于图5的示例性燃煤发电厂的百分比负荷(或电网基本负荷)的变化而分配到化学合成单元的氢气的百分比。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
对示例性实施例的描述旨在结合附图来阅读，附图被认为是整个书面描述的一部分。在说明书中，诸如“下”、“上”、“水平”、“垂直”、“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”以及其派生词(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等)的相对术语应被解释为当时所描述的或所讨论的附图中所示的方向。这些相对术语是为了便于描述，而不要求以特定的取向构造或操作设备。关于连接、耦合等的术语，例如“连接”和“互连”，指的是一种关系，其中结构通过中间结构直接或间接地相互固定或连接，以及可移动或刚性的联系或关系，除非另有明确说明。
为了下文描述的目的，应当理解，下文描述的实施方式可以采取替代的变型和实施方式。还应当理解，本文所述的具体制品、组合物和/或方法是示例性的，并且不应当被认为是限制性的。
在本发明中，单数形式“一”、“一个”和“这个”包括复数形式，并且对特定数值的引用至少包括该特定值，除非上下文另有明确指示。当使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，特定值形成另一个实施方案。如本文所用，“约X”(其中X是数值)优选是指所引用值的±10％，包括端值在内。例如，短语“约8”优选地指7.2至8.8的值，包括端值。在本发明中，所有范围都是包括性的和可组合的。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围应被解释为包括范围“1至4”、“1至3”、“1-2和4-5”、“1-3和5”、“2-5”等。另外，当明确地提供了备选的列表时，这种列表可以解释为意味着可以排除任何备选，例如，通过权利要求中的否定限制。例如，当列举“1至5”的范围时，所列举的范围可以解释为包括其中1、2、3、4或5中的任一个被否定地排除的情况；因此，对“1至5”的叙述可以被解释为“1和3-5，但不是2”，或简单地“其中不包括2”。意指在此明确引用的任何组件、元件、属性或步骤可以明确地排除在权利要求之外，无论这些组件、元件、属性或步骤是否作为替代物列出或者无论它们是否单独引用。
本发明提供了一种使用化石燃料如煤来生产电力和/或生产化学品的系统和方法。该系统和方法可用于同时生产具有可调节的比例的电力和化学品。
在本发明中，包括固体氧化物燃料电池(SOFC)的集成气化燃料电池(IGFC)技术用于以高效率和高捕获二氧化碳(CO2)能力从化石燃料例如煤生产电力。化石燃料如煤的气化提供了包含氢气的合成气(H2)。氢气可用作固体氧化物燃料电池的燃料以产生电力。另外，IGFC技术与化学品生产结合使用，灵活性高。额外的氢气可以用于化学品生产。化学品生产可以包括氢气生产和/或用于合成其它化学品如氨的氢气。在该系统和方法中捕获和封存二氧化碳。电力生产和化学品生产的比例可以根据供需或技术要求进行调整。例如，当对电力的需求低时，可以增加化学品生产的能力。
如本文所使用的，当单元或组件被描述为“连接到”、“耦合到”或“接触”另一单元或组件时，它可以直接连接到、直接耦合到、直接接触特定单元或组件，或者可以通过中间单元或组件连接、耦合或接触特定单元或组件。当单元或组件被称为“直接连接到”、“直接耦合到”、或“直接接触”另一个单元或组件时，不存在中间单元或组件。
如本文所用，本文所用的术语“流体耦合到”或“流体耦合于”将理解为组件或单元与管道或管线连接并且被配置为使气体或液体流过组件。如本文所用，本文所用的术语“热耦合到”或“热耦合于”将理解为组件直接或通过中间组件耦合在一起，使得热可在组件之间传递，且组件可彼此直接接触或通过中间组件接触。
如本文所用，本文所用的术语“电连接”将被理解为涵盖组件或单元之间或之中的不同连接或耦合，以便传导电力或传输用于通信的信号。这种连接或耦合可以通过有线、无线或基于云的模式进行。
在本发明中，除非另外明确指出，否则本文所述的系统中的单元和组件彼此流体联接。单元和组件流体地联接在一起以提供气体或液体化学品。与热回收相关的单元和组件也热耦合到一起。本文所述的控制器可与其它单元或组件电连接以执行其控制功能。为了简洁，不再对每个单元或组件重复描述单元和组件的连接。
在图1-2中，相同的项目由相同的附图标记表示，并且为了简洁起见，上面参照前述附图提供的结构的描述不再重复。参考图1-2中描述的示例性结构和图4-7中描述的数据绘图或草图描述图3A-3B中描述的方法。
参照图1，示例性系统100包括气化器10、控制器80、固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元90和化学合成单元110。
气化器10被配置为接收和转化化石燃料。化石燃料可以是任何合适的燃料，包括但不限于煤、油和天然气。在一些实施方式中，化石燃料为煤。
在一些实施方式中，系统100还包括空气分离单元(ASU)20，其与气化器10和化学合成单元110两者流体联接。ASU 20被配置为用以从空气中分离出氧气和氮气，将氧气提供至气化器10，以及将氮气提供至化学合成单元110。在一些实施方式中可使用低温ASU。ASU20可被配置为产生具有99％或更高的纯度的单独的纯氧和氮。在一些实施方式中，也可以分离诸如氩气的其它气体。
气化器10被配置为将化石燃料如煤以及氧气和水转化成包含氢气和一氧化碳的合成气13。合成气13还可包含二氧化碳。
在一些实施方式中，使用煤。煤以合适的形式使用，例如粉末或煤粉与水的浆料。煤气化工艺通过与热空气、氧气、蒸汽或混合物的反应将煤转化为气态产物。煤气化的产物是合成气13，其主要是含有氢气和一氧化碳的混合物。离开气化器的合成气13可包括不同量的其它物质，例如二氧化碳、蒸汽、硫化氢、有机硫化合物、焦油和少量的其它污染物。大部分煤灰作为炉渣或底灰从气化器10中除去。
在一些实施方式中，系统100还包括流体地联接到气化器10的净化装置30。净化装置30被配置为用以除去来自气化器的合成气13中的硫和其它污染物。
在一些实施方式中，使用了一种温煤气脱硫(WDP，warm gas desulfurization)技术，例如，由美国北卡罗来纳州的Research Triangle Institute(RTI)International开发的技术。这种技术使用加压双输送床反应器设计和耐磨、高容量、可再生的固体吸附剂。WDP能够在气化器压力和温热的工艺温度(250-650℃)下直接从粗合成气中除去高达99.9％的总硫污染物。在一些实施方式中，使用硫捕获效率为99.5％或更高的酸性气体去除(AGR)方法。合成气中的总硫含量必须保持在体积比十亿分之100(ppbv)以下以保护关键燃料电池材料。其他痕量污染物如汞也从合成气中去除。
膨胀器40可与净化装置30联接，并且被配置为使合成气13膨胀至合适的压力范围。
系统100还可以包括水煤气变换(WGS)反应器50，其被配置为利用水或蒸汽将合成气中的一些或全部一氧化碳转化成二氧化碳。因此氢气与二氧化碳的比例增加。在WSG反应器中，合成气13通过包含变换催化剂的多级固定床反应器，以根据水煤气变换(WGS)反应将CO和水转化为额外的H2和二氧化碳(CO2)：
变换反应可以在200℃-500℃的合适温度下进行。可以使用提供高水分含量的水蒸汽。
分离器60流体地联接到WGS反应器50上，分离器60被配置为用以除去合成气13中的二氧化碳以用于封存。可以使用膜或溶剂分离二氧化碳。捕获并封存除去的二氧化碳。二氧化碳可以通过泵送到地下储存而被封存。
控制器80被配置为控制合成气13中的氢气分配到第一部分氢气15和第二部分氢气17中。如图1所示，控制器80可与分离器60联接。
固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元90被配置为接收第一部分氢气15。压缩机92与SOFC发电单元90流体连接，并被配置为压缩空气或氧气并将它们供给到SOFC发电单元90中，发电单元90被配置为利用第一部分氢气15和压缩空气或氧气发电。在一些实施方式中，第一部分氢气15可以包括一氧化碳。在燃料电池中，氢和一氧化碳被转化为水和二氧化碳。
化学合成单元110被配置为接收第二部分氢气17并使用第二部分氢气17进行化学合成，在一些实施方式中，化学合成单元110被配置为使用氢气和氮气生成氨。在一些其它实施方案中，氮气和氢气可以作为单独的产品以压缩或液体形式单独捕获。第二部分氢气17也可以用于其它化学品的化学合成。
系统100还可以包括与SOFC发电单元连接的燃烧器96。在一些实施方式中，燃烧器96是氧燃烧器。利用氧气，燃烧器96被配置为燃烧掉来自SOFC发电单元90的包括氢气或氢气和一氧化碳的混合物的合成气残余物。
在整体气化联合循环(IGCC)发电厂中，使用燃气轮机动力单元。在IGFC发电厂中，替代地使用固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元。SOFC提供与合成气化学势几乎可逆的转化为电能相关的高电效率。此外，在密封的燃料电池系统中，合成气的清洁氧反应使得其自身仅通过下游的小燃烧器就可容易地实现。未被电化学利用的燃料低于第一部分氢气的10％。
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种直接通过氧化燃料产生电的电化学转化装置。SOFC具有固体氧化物或陶瓷材料作为电解质。固体氧化物电解质可将负氧离子从阴极传导至阳极，或通过电解质传导质子。SOFC发电单元90包括分离的阳极和阴极，其可以是加压单元或被配置为在大气压下运行的单元。氢气和一氧化碳或其它有机中间体被氧离子电化学氧化发生在阳极侧。SOFC发电单元90可以在合适的温度下运行，例如在500℃至1000℃的范围内，当少量一氧化碳也被引入SOFC发电单元时，可以将额外的水蒸气引入SOFC发电单元90。SOFC发电单元90还可以包括DC-AC逆变器。
系统100还可以包括热回收蒸汽发生器(HRSG)70，其被配置为利用从气化器10、SOFC发电单元90、燃烧器96和诸如净化装置30的其它单元回收的热。如图1所示，在SOFC发电单元90和HRSG 70之间以及在燃烧器96和HRSG 70之间可以使用额外的膨胀器42、46和热回收单元72和76。
在一些实施方式中，从来自气化器10和净化装置30的冷却的粗合成气、来自燃烧器96的热燃烧器废气和来自SOFC单元90的热污浊空气废气中回收热量，同时回收合成气净化和硫提取过程中任何工艺产生的热量。回收的热量被送到HRSG 70。HRSG 70除了满足系统100的所有工艺蒸汽需求之外，还向循环系统供应蒸汽。在一些实施方式中，所产生的蒸汽用于产生额外的电力。空气分离单元(ASU)20将氧气供应到气化器10和其它单元，例如燃烧器96。
在一些实施方式中，化学合成单元110中的所需终产物是氨。第二部分氢气17与来自ASU 20的氮气催化反应，通过以下反应形成无水液氨：3H2+N2→2NH3。由于使用的催化剂磁铁矿的性质，在氨合成反应中，在合成(氢气和氮气混合物)气体中只能容忍非常低含量的含氧化合物(特别是CO、CO2和H2O)。空气分离可以得到比较纯的氮气。可能需要从第二部分氢气17中额外纯化和去除一氧化碳。
参照图2，示出了示例性控制器80。控制器80包括一个或多个处理器82和编码有一个或多个程序83的至少一个有形的、非暂时性的机器可读介质，用于根据一些实施方式控制用于电力和/或化学品生产的氢供应。
具有程序83和处理器82的控制器80被配置为执行如本文所述的步骤。系统100还可以包括一个或两个阀84、86，其接收来自分离器60的包含氢气的合成气，阀84、86可以位于控制器80的内部或外部，控制器80与阀84、86电子地和/或物理地连接(以虚线表示)并且与阀84、86连通并控制它们，阀86被配置为提供并控制供应至SOFC发电单元90的第一部分氢气15，阀84被配置为提供并控制供应至化学合成单元110的第二部分氢气17。控制器80被配置成向阀84、86提供指令，并调节第一部分氢气15与第二部分氢气17的比例。
处理器82可以可选地与一个或多个显示器88连接，用于显示来自处理器82的信息和指令，并且显示给操作者。诸如键盘的输入端85也可与处理器82连接，以便操作者输入控制器所需的信息。
具有处理器82和一个或多个程序83的控制器80用于调节第一部分氢气15与第二部分氢气17的比例。在一些实施方式中，控制器被配置为基于电网基本负荷、SOFC发电单元90的百分比负荷和/或用于保持化学合成单元运行的基线的第二部分氢气的预定最小量来调节这种比例。例如，在一些实施方式中，基于SOFC发电单元的电网基本负荷和百分比负荷控制第一部分氢气与第二部分氢气的比例。在一些实施方式中，基于SOFC发电单元的电网基本负荷和百分比负荷控制第一部分氢气与第二部分氢气的比例，同时分配至少预定最小量的第二部分氢气以保持化学合成单元连续运行。
图3A是示出根据一些实施方式的生产电力和/或化学品的示例性方法200的流程图。图3B中示出了该方法中的一些补充步骤。以上在系统100中也描述了这些步骤。
参照图3，在步骤202，氧气和氮气可以在空气分离单元(ASU)中从空气分离，同时氧气被提供至气化器10，氮气被提供至化学合成单元110。
在步骤210，化石燃料与氧气和水(或蒸汽)混合，并在如上所述的气化器10中转化成包含氢气和一氧化碳的合成气。合成气也可以包含二氧化碳和如上所述的其它成分。
在步骤220处，可使用控制器80将合成气中的氢气分流或分配为第一部分氢气15和第二部分氢气17。
在步骤230中，在固体氧化物燃料电池(SOFC)发电单元90中使用第一部分氢气15和压缩空气或氧气发电。
在步骤240，在化学合成单元中使用第二部分氢气17进行化学合成。在一些实施方式中，化石燃料为煤。在化学合成单元110中生产氨。在一些其它实施方案中，氮气和氢气可以作为单独的产品以压缩或液体形式单独捕获。氢气可以是最终产物，或者用于合成氨以外的化学品。
参考图3B，方法200还可以包括如系统100中所描述的其他步骤。例如，这些步骤可以包括步骤212、214、216、232和234。可以使用这些附加步骤中的一个或多个。步骤212、214和216可以在步骤210和步骤220之间执行。步骤232和234可以在步骤230之后执行。
在步骤212，可从气化器10中去除合成气中的包括硫的污染物，其在流体联接到气化器10上的净化装置30中去除。
在步骤214，合成气中的部分或全部一氧化碳可与水反应，且在水煤气变换(WGS)反应器50中转化成二氧化碳，以便增加合成气中的氢气含量或氢气与二氧化碳的比例。
在步骤216，合成气中的二氧化碳可以在分离器60中除去，除去的二氧化碳用于封存。
在步骤232，从SOFC发电单元90排出的合成气残余物在燃烧器96中被烧掉。
在步骤234，来自气化器10、SOFC发电单元90、燃烧器96和其它单元例如净化装置30的热量可以被回收，然后用在热回收蒸汽发生器(HRSG)70中以产生蒸汽。步骤234可以包括多个步骤。
使用本发明中提供的系统和方法，可以基于电力需求或技术要求来调整和平衡产生电力和化学品的能力。当电力需求低时，将产生的氢气送至生产化学品，例如用于氨合成。当电力需求高时，在SOFC发电单元90中使用氢气来产生电力。另外，由ASU 20产生的N2副产物用于生产氨。
在一些实施方式中，第一部分氢气15与第二部分氢气17的比例由控制器80控制，控制器80包括一个或多个处理器82和至少一个有形的、非暂时性机器可读介质，该机器可读介质编码有一个或多个程序83，该程序被配置为执行功能，例如调整第一部分氢气与第二部分氢气的比例。
在一些实施方式中，基于电网基本负荷和SOFC动力单元的百分比负荷来调节第一部分氢气15与第二部分氢气17的比例。电网上的基本负荷或所谓的基本负载是在例如一周的时间跨度内对电网的最小需求水平。这种电网对应于SOFC发电单元90。基本负荷是阈值。电厂负荷是发电单元在某个时间点的百分比负荷。
参考图4，示例性曲线示出了在一段时间内，例如在一些实施方式中为一周内，示例性燃煤发电厂的百分比负荷的变化。标有“A”的相对平坦的段示出了燃煤发电厂的最小百分比负荷。标有“B”的相对平坦的段示出了对应于燃煤发电厂的电网的基本负荷(即，0.95或95％)。根据运行条件，发电厂的百分比负荷可随时间在基本负荷和最小百分比负荷之间波动。有时，百分比负荷可以高于基本负荷。
参照图5，类似于图4中的曲线，示例性曲线示出了在一些实施方式中，例如24小时的时间段内，燃煤SOFC发电单元90的百分比负荷的变化。最高负荷(0.95)是相应的电网基本负荷。
在一些实施方式中，第一部分氢气15的百分比是电网基本负荷和SOFC发电单元90的百分比负荷的乘积，其余的是第一部分氢气和第二部分氢气中第二部分氢气17的百分比。图6A-6B分别示出了基于图5中的数据的分配到SOFC发电单元90的氢气的百分比和分配到化学合成单元110的氢气的百分比。
例如，如果电网基本负荷为0.95，并且SOFC发电单元90的百分比负荷在某一时间点(例如，在图5中的第4小时的时间点)为0.8，则如图6A所示，提供用于发电的第一部分氢气15的百分比为0.76(即，76％)。24％的氢气被提供用于在化学合成单元110中产生氢气或氨。
在一些实施方式中，保持至少预定最小量的第二部分氢气以保持化学合成单元运行。化学合成中氢的计算百分比示于图7，化学合成中氢的预定最小量为约20％(示于图7中的虚线)。在这种预定量以上，用于发电的第一部分氢气的百分比是电网基本负荷和SOFC发电单元的百分比负荷的乘积。当计算出的用于化学合成的氢气的百分比为20％或更低时，用于发电的氢气的百分比保持在20％。
在一些实施方式中，控制器80向一个或多个阀84、86提供具有指令的信号，以控制氢气比例。控制过程可以手动或自动执行。对于用于发电的第一部分氢气15，在一些实施方式中，它可以是含有一氧化碳(CO)的混合物。除了氢气之外，CO可以用作固体氧化物燃料电池中的起始材料。或者可以耐受少量CO。对于用于化学合成的第二部分氢气17，可以使用额外的纯化方法以除去任何一氧化碳或二氧化碳残余物，并将高纯度的氢气提供至化学合成单元110。
在一些实施方式中，第一部分氢气15与第二部分氢气17的比例也可基于需求进行调节。例如，当电力的价格高于某一预定限制时，更多的氢气可以从化学合成转移到电力生产。
第一部分氢气15与第二部分氢气17的比例可以在任何合适的范围。例如，在一些实施方式中，第一部分氢气15与第二部分氢气17的比例也可以调节至约1:1。
本发明中提供的系统、控制器和方法具有许多优点。例如，该系统具有产生电力和/或化学品的能力，具有根据需要控制数量和比例的灵活性。
这里描述的方法和系统可以至少部分地以计算机实现的过程和用于实践这些过程的装置的形式来体现。所公开的方法还可以至少部分地以用计算机程序代码编码的有形的、非暂时性的机器可读存储介质的形式来体现。介质可以包括例如RAM、ROM、CD-ROM、DVD-ROM、BD-ROM、硬盘驱动器、闪存或任何其它非暂时性的机器可读存储介质或这些介质的任何组合，其中，当计算机程序代码加载到计算机中并由计算机执行时，计算机成为用于实施该方法的装置。所述方法还可以至少部分地以计算机的形式来体现，计算机程序代码加载到所述计算机中和/或在所述计算机中被执行，使得所述计算机成为用于实施所述方法的装置。当在通用处理器上实现时，计算机程序代码段配置处理器以创建特定的逻辑电路。或者，所述方法可以可选地至少部分地在由用于执行所述方法的专用集成电路形成的数字信号处理器中实现。计算机或控制单元可以使用基于云的系统远程地操作。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。所附权利要求应当被宽泛地解释为包括本领域技术人员可以做出的其他变型和实施方式。
Claims (17)
1.一种系统，包括：
气化器，其被配置为将化石燃料、氧气和水转化成包含氢气和一氧化碳的合成气；
控制器，其被配置为控制氢气在第一部分氢气和第二部分氢气中的分配；
固体氧化物燃料电池发电单元，其被配置为接收所述第一部分氢气以及压缩空气或者氧气，并利用所述第一部分氢气发电；以及
化学合成单元，其被配置为接收所述第二部分氢气，并利用所述第二部分氢气进行化学合成。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述化石燃料为煤。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括净化装置，所述净化装置流体联接到所述气化器，并且被配置为除去来自气化器的所述合成气中的硫。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括水煤气变换反应器，其被配置为将所述合成气中的一些或全部一氧化碳与水转化成二氧化碳，以便增加所述合成气中的氢气含量；
优选地，所述系统还包括分离器，所述分离器流体联接至所述水煤气变换反应器，所述分离器被配置为除去所述合成气中的二氧化碳以用于封存。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统还包括空气分离单元，所述空气分离单元被配置为从空气分离氧气和氮气，并且将所述氧气提供至所述气化器，将所述氮气提供至所述化学合成单元。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述化学合成单元被配置为合成氨。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统进一步包括燃烧器和热回收蒸汽发生器，所述燃烧器连接至所述固体氧化物燃料电池发电单元并且被配置为燃烧掉来自所述固体氧化物燃料电池发电单元的合成气残余物，所述热回收蒸汽发生器被配置为利用从所述气化器、所述固体氧化物燃料电池发电单元和所述燃烧器回收的热。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的系统，其中，所述控制器包括一个或多个处理器和编码有一个或多个程序的至少一个有形的、非暂时性的机器可读介质，所述一个或多个程序被配置为调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例；和/或
所述控制器设置为基于电网基本负荷、所述固体氧化物燃料电池发电单元的百分比负荷和/或用于保持所述化学合成单元运行的所述第二部分氢气的预定最小量来调节所述第一部分氢气与所述第二部分氢气的比例。
9.一种方法，包括：
在气化器中将化石燃料、氧气和水转化为包含氢气和一氧化碳的合成气；
使用控制器将合成气中的氢气分配为第一部分氢气和第二部分氢气；
在固体氧化物燃料电池发电单元中使用所述第一部分氢气和压缩空气或氧气发电；以及
在化学合成单元中使用所述第二部分氢气进行化学合成。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述化石燃料是煤，在所述化学合成单元中生产氨。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法还包括在空气分离单元中从空气分离氧气和氮气，将所述氧气提供至所述气化器，将所述氮气提供至所述化学合成单元。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法还包括：
在流体连接到所述气化器的净化装置中除去来自气化器的合成气中的包括硫的污染物。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法还包括：
在水煤气变换反应器中用水将合成气中的部分或全部一氧化碳转化为二氧化碳，以便增加合成气中的氢气含量；以及
在分离器中除去合成气中的二氧化碳以用于封存。
14.根据权利要求9-13中任意一项所述的方法，其中，所述控制器包括一个或多个处理器和至少一个有形的、非暂时性的机器可读介质，所述至少一个有形的、非暂时性的机器可读介质编码有一个或多个程序，所述一个或多个程序被配置为调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，基于电网基本负荷和所述固体氧化物燃料电池发电单元的百分比负荷，调节第一部分氢气与第二部分氢气的比例。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一部分氢气的百分比为电网基本负荷和固体氧化物燃料电池发电单元的百分比负荷的乘积，剩余部分是第一部分氢气和第二部分氢气中第二部分氢气的百分比；
优选地，该方法进一步包括保持至少预定最小量的所述第二部分氢气以保持所述化学合成单元运行。
17.根据权利要求9所述的方法，其中，该方法进一步包括在燃烧器中燃烧掉来自所述固体氧化物燃料电池发电单元的合成气残余物，使用热回收蒸汽发生器从所述气化器、所述固体氧化物燃料电池发电单元和所述燃烧器回收热。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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