CN1812929A - 通过生物质气化共同产生氢和电能 - Google Patents

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Abstract

一种共同产生氢(104)和电能(115)的方法，包括利用间歇性可再生能源(10)产生制备氢(104)和氧(107)的能量(102)，随后将至少部分该能量(102)传递到制备系统(103)以制备氢(104)和氧(107)。本技术还包括：将至少部分氢(104)引导至氢输送系统(105)，该氢输送系统(105)的配置使其将氢(104)由氢输送系统(105)输送到发电系统(110)和储氢系统(106)中的至少一个；及将至少部分氧(107)引导至氧输送系统(130)，该氧输送系统(130)的配置使其将氧(107)由氧输送系统(130)输送到生物质气化系统(108)，该生物质气化系统(108)通过生物质原料(140)的部分氧化制得合成气(109)。而且，该技术还包括将至少部分合成气(109)引导至发电系统(110)，以由此产生电能(115)。

Description

通过生物质气化共同产生氢和电能
发明背景
本发明一般涉及氢-基能量产生系统，更具体地，本发明涉及利用生物质气化法的氢和电能的共同产生。
在目前的能量情况下，全球的能量基础结构正在迅速地由常规的“化石燃料-基发电系统”转变成“氢-基发电系统”。利用可再生能源可以令人满意地保持用于这些氢-基发电系统的氢制取。执行中，保持源自可再生能源的可再生能的连续供应是潜在的问题，因为在环境条件有利或适于产生它们的期间，大部分可再生能可以间歇性地得到。
一般，在常规方法中，通过将氢由储氢系统输送到这些氢-基发电系统，可以展望在不可得到这些可再生能的期间氢的交替供应。操作中，在不可得到可再生能的期间，与这些储氢系统有关的某些因素阻止了保持它们作为供应给氢-基发电系统的交替性氢的令人满意的来源。例如，这些因素包括气态氢的低效的散装储存容量和与液态氢的储存和分配有关的操作危险。该操作危险可以包括，液氢由于暴露于周围环境的爆炸。
因此，在相关领域中需要有效的系统，以执行利用间歇性可再生能源保持连续的氢-基发电的方法。
简述
根据本发明的一个方面，一种共同产生氢和电能的方法，包括利用间歇性可再生能源产生能量以制备氢和氧，随后将至少部分该能量传递到制备系统从而制备氢和氧。本技术还包括将至少部分氢引导至氢输送系统，该氢输送系统被配置以将氢由氢输送系统输送到发电系统或储氢系统中的至少一个，及将至少部分氧引导至氧输送系统，该氧输送系统被进一步配置以将氧由氧输送系统输送到生物质气化系统。该生物质气化系统通过生物质原料的部分氧化制得合成气。而且，该技术包括将至少部分该合成气引导至发电系统中，由此产生电能。
根据本技术的另一个方面，一种共同产生氢和电能的系统，包括用于由间歇性可再生能源产生能量的能量产生系统和与该能量产生系统能量相同以制备氢和氧的制备系统。氢输送系统与该制备系统流体相通以接收来自制备系统的至少部分氢。该氢输送系统被进一步配置以将至少部分氢引导至发电系统或储氢系统中的至少一个。而且，氧输送系统与所述制备系统流体相通以接收来自制备系统的至少部分氧。该氧输送系统被进一步配置以将至少部分氧引导至生物质气化系统。该生物质气化系统被配置以将至少部分合成气引导至发电系统。
附图
当参考附图理解下面的详述时，将会更好地理解本发明的这些和其它特点、方面和优点，所有附图中相同的附图标记表示相同的元件，附图中：
图1为根据本技术一个实施方案的共同产生氢和电能的系统的图解表示；
图2为根据本技术另一个实施方案的共同产生氢和电能的系统的另一个图解表示；
图3为根据本技术另一个实施方案的共同产生氢和电能的系统的另一个图解表示；及
图4为根据本技术的一个实施方案用于共同产生氢和电能的生物质气化过程的图解表示。
详细说明
目前，全球的能量基础结构正在迅速地由常规的“化石燃料-基发电系统”转变成“氢-基发电系统”。这些“化石燃料-基发电系统”给活生物造成某些潜在的危险如，例如环境污染，及地球大气层的全球变暖。氢-基发电系统可以基本上使那些危险最小化，因为它们能产生相对“清洁的能量”。而且，着重指出的是，例如，当它们的能量基础结构主要依赖化石燃料-基能量时，人类的能源安全就可能受到威胁，因为这些化石燃料供应容易受到若干因素如那些化石燃料的有限的自然储量、地缘政治(geo-political)和经济的不稳定性损坏。氢-基发电系统也可以有效地解决这些问题，因为利用某些可再生能源可以令人满意地保持用于”氢-基发电系统”的氢的足够的制备和供应。这些可再生能包括，而不限于，风能、太阳能和潮汐能。执行中，由可再生能源保持连续的可再生能供应成为潜在的问题，因为在环境条件有利或适于产生它们的期间，这些可再生能可以间歇性地得到。
通常，在常规方法中，通过将氢由储氢系统输送到氢-基发电系统，可以展望在不可以得到这些可再生能的期间的氢的交替供应。操作中，在不可得到那些可再生能的期间，与这些储氢系统有关的某些因素阻止保持它们作为供应给氢-基发电系统的交替性氢的令人满意的来源。例如，这些因素包括，由于与其它常规燃料相比它的非常低的体积能量密度，气态氢的低效散装储存容量。虽然，与气态氢相比，液氢在某种程度上具有相对较高的体积能量密度，但是液氢的储存和分配造成威胁氢-基发电系统操作安全的另外的潜在危险。这些操作危险一般包括，由于液氢因为偶然暴露于周围环境的沸腾引起的爆炸。而且，气态氢的液化在基本上低液化温度，一般为约-200～-300℃下执行，由于与此相关的抑制性制造成本，由气态氢制备液态氢的可行性变得进一步受到限制。
从后面段落中的讨论中可以显而易见，设计本技术有效地响应上述问题。图1图示了根据该技术一个方法实施方案的共同产生氢和电能的系统。该技术的该实施方案包括，第一步，利用间歇性可再生能源10通过能量产生系统101产生能量102，该能量102包括热能或电能中的至少一种。在随后的步骤中，由能量产生系统101产生的部分或全部能量102被传递到制备系统103。该制备系统103利用能量102一般解离水，由此制得氢104和氧107。由制备系统103制得的氢104被进一步传递到氢输送系统105。在下一步中，该氢输送系统105将氢104输送到发电系统110或储氢系统106中的至少一个。
在某些实施方案中，由制备系统103制得的至少部分氧107被输送到氧输送系统130。该氧输送系统130将自制备系统103接收的至少部分氧107传递到生物质气化系统108。被该生物质气化系统108接收的氧107引起生物质原料140的热-化学分解。因此，生物质原料140被部分氧化从而制得合成气109。在随后的步骤中，由生物质气化系统108制得的合成气109被输送到发电系统110中。操作中，合成气109具有易燃性。而且该合成气109具有大热值，例如为约10～20MJ/Nm3。在发电系统110中，该可燃合成气109的内能令人满意地被转化成电能115。
在某些实施方案中，发电系统110包括一般的氢-基发电系统。因此，在可以从间歇性可再生能源10得到可再生能的期间，发电系统110利用由氢输送系统105输送的至少部分氢104燃料产生电能115。作为选择，在不可以得到可再生能的期间，由生物质气化系统108产生的至少部分合成气109被输送到发电系统110，以从其中产生电能115。因此，不管可以得到可再生能与否，保证了自发电系统110的连续的电能供应115，充分地避免了所不希望的储氢。这些发电系统110包括燃料电池-基发电系统或微型涡轮-基发电系统或内燃机-基发电系统或所有这些系统的组合。可以理解，在某些实施方案中，这些发电系统110需要修改以利用燃料产生电能115，该燃料包括由氢输送系统105输送的适量的氢104和由生物质气化系统108输送的至少部分合成气109。
被生物质气化系统108所采用以制备合成气109的示例性生物质气化过程200示于图4中。通常，在该生物质气化过程200中，燃料输入，例如有机烃-基生物质原料140在有氧107存在的条件下经历部分热-化学分解，从而制得合成气109。合成气109一般包括氢(H2)、甲烷(CH4)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)和水蒸汽。示例性生物质原料140包括，而不限于，工业废物；农业废物，如稻草和谷皮；城市废物；有机废物，如畜牧业副产品；能源作物，如甘蔗；及所有这些的适宜的组合。可以理解，选择生物质气化系统108的燃料取决于，例如与这些生物质原料140的性质有关的各种因素如内能、灰分含量、含水量、挥发物含量、粒度和堆积密度之间的权衡关系(tradeoff relationship)。
运行上，如图4所示，在第一步中的生物质气化过程200一般包括，基本上除去生物质原料140的含水量以得到相对干的生物质原料141的除水过程208。在随后的热解过程209中，该干生物质原料141在约500～800℃的示例性温度下经历厌氧热分解从而形成热解混合物210。该热解混合物210通常包括固态物质，例如木炭；液态物质，例如焦木油(pyrolignious oil)；及气态物质，例如氢和一氧化碳。而且，由氧107引起的部分氧化过程211部分地氧化热解混合物210，从而形成部分氧化的混合物212。该部分氧化的混合物212包括二氧化碳(CO2)和水蒸汽。部分氧化过程211通常特征为附加如下的一系列示例性的放热化学变换。
                     
               
适当提及，在部分氧化过程211中产生的热能保持生物质气化系统108所需的热环境，以维持生物质气化过程200的全部化学动力学。而且，氧化的混合物212在还原过程213中经历一系列不均匀的厌氧化学变换(即不是由氧引起的)，从而释放合成气109。该合成气109是源自被生物质气化系统108采用的生物质气化过程200的最终的输出。氧化的混合物212的这些不均匀的化学变换包括某些放热以及吸热化学反应。一些表示还原过程213的示例性的化学变换附加如下。
                
                
                
                
与生物质气化系统108的结构有关的某些选择性的实施方案包括固定床生物质气化系统或流化床生物质气化系统中的至少一种。从结构的观点看，固定床生物质气化系统特征为至少一个在结构上被栅支撑的固定气化反应区。另一方面，流化床生物质气化系统包括反应区，该反应区一般包括由化学惰性床材料，例如砂子构成的活动或循环床。例如，选择生物质气化系统108的适宜的结构取决于各种因素如发电系统110所需的功率输出容量，从这些气化系统释放出来的合成气109的包括热值、颗粒物质含量及其焦油含量的一般固有特性，这些气化系统制备的简易性之间的权衡关系。通常，在构成流化床气化系统的活动或循环床的床材料中引起的流动紊流，在生物质气化过程200的各步骤中，促进反应物相对均匀的热-化学混合，从而保证发电系统110的增强的功率输出容量，但是却由于这些合成气109的增加的颗粒物质含量，而以从这些气化系统释放出来的合成气109的比较多的不利的环境影响为代价。
在某些实施方案中，由生物质气化系统108产生的至少部分合成气109需要输送到氢重整系统112中以重整氢104。在本实施方案中，在氢重整系统112中重整的氢104需要输送到氢输送系统105。运行上，氢重整系统112采用一般在约150～450℃的温度下进行的水煤气变换反应过程。执行中，在有一些催化剂例如氧化亚铁(Fe3O4)存在的条件下，氢104由合成气109的一氧化碳(CO)组分重整得来。示例性的水煤气变换反应过程可以表示如下。
在某些其它的实施方案中，氢输送系统105还将从系统103，112接收的至少部分氢104输送到储氢系统106。储存在储氢系统106中的氢104可以任意地被某些其它相邻的不属于氢-基发电的氢-基系统(未示出)，例如氢-基汽车的燃料填充系统消耗掉。
图2图示了根据该技术另一个方法实施方案的共同产生氢和电能的另一个系统。在该实施方案中，氢输送系统105将所有从系统103，112接收的氢104输送到氢-基发电系统110，以从其中产生电能115。因此，根据该实施方案，需要通过由氢重整系统112传递氢104到氢输送系统105，该氢输送系统105还将所有氢104输送到氢-基发电系统110以产生电能115，保持在不可以得到可再生能的期间的连续的电能供应115。根据该技术某其它方法实施方案的另一个选择性系统示于图3中。在该实施方案中，发电系统110接收由生物质气化系统108制得的所有合成气109。此外，在本实施方案中，氢-输送系统105需要将从系统103，112接收的所有氢104输送到发电系统110。
操作中，制备系统103一般为解离水由此制得氢104和氧107的水-裂解系统。例如，依据各种因素如设计和运行那些系统的总效率、成本效益和简单性之间的权衡关系，可以展望这些制备系统103的各种选择性实施方案。这些制备系统103一般包括，而不限于，电解系统，热裂解系统，电-热裂解系统，热-化学裂解系统，光-化学裂解系统，光-电化学裂解系统及这些系统的组合。
简要地说，在示例性实施方案中，自能量产生系统101产生的电能输出被一般的电解系统采用，该电解系统解离水以释放氢104和氧107。完成电解所需的电能可以由能量产生系统101以各种方法产生。例如，在光-电化学裂解系统中，该电能通过太阳光子在半导体-基系统中的吸收得到。另一方面，在光-化学裂解系统中，化学敏化剂，例如乙二胺四乙酸(EDTA)吸收太阳光子释放电化学能量，从而驱动水-裂解系统以制得氢104和氧107。那些制备系统103的某些其它实施方案包括，例如利用由能量产生系统101产生的热能输出来解离水的热裂解系统。在另一个实施方案中，电-热裂解系统利用由能量产生系统101产生的热能输出加上电能输出进行水-裂解。在其它选择性的实施方案中，热-化学裂解系统在有某些化学物质，例如溴和碘存在的条件下，利用能量产生系统101的热能输出裂解水，制得氢104和氧107。
根据被所述共同产生氢和电能的系统执行的选择性方法实施方案(示于图1至图3)，可以理解共同产生氢和电能的一般系统包括用于由间歇性可再生能源10产生能量102的能量产生系统101，及与该能量产生系统101能量相通以制得氢104和氧107的制备系统103。氢输送系统105与该制备系统103流体相通以从制备系统103接收至少部分氢104。该氢-输送系统105被进一步配置以将至少部分氢104引导至发电系统110或储氢系统106中的至少一个。而且，氧输送系统130与所述制备系统103流体相通以从制备系统103接收至少部分氧107。氧输送系统130被进一步配置以将至少部分氧107引导至生物质气化系统108。该生物质气化系统108被配置以将至少部分合成气109引导至发电系统110。适当提及，构建共同产生氢和电能的系统的子系统的选择性的实施方案和在前面段落中所述的那些一致。
对于本领域的技术人员来说将显而易见，虽然已经根据专利法规在本文中说明和描述了本发明，但是可以对所公开的实施方案进行各种修改和变换，而不脱离本发明真正的精神和范围。因此，将会理解所附的权利要求书意在涵盖所有该修改和变换，因为它们落在本发明真正的精神和范围内。

Claims (30)

1.一种共同产生氢(104)和电能(115)的方法，包括：
利用间歇性可再生能源(10)产生制备氢(104)和氧(107)的能量(102)；
将至少部分该能量(102)传递到制备系统(103)，以制得所述氢(104)和氧(107)；
将至少部分氢(104)引导至氢输送系统(105)，该氢输送系统(105)的配置使其将氢(104)由所述氢输送系统(105)输送到发电系统(110)或储氢系统(106)中的至少一个；
将至少部分氧(107)引导至氧输送系统(130)，该氧输送系统(130)的配置使其将氧(107)由所述氧输送系统(130)输送到生物质气化系统(108)，从而通过生物质原料(140)的部分氧化制得合成气(109)；及
将至少部分所述合成气(109)引导至所述发电系统(110)，由此产生电能(115)。
2.根据权利要求1的方法，还包括下列步骤：
将至少部分所述合成气(109)由生物质气化系统(108)引导至氢重整系统(112)，以重整氢(104)；及
将氢(104)由氢重整系统(112)引导至氢输送系统(105)，该氢输送系统(105)的配置同样使其将氢(104)输送到所述发电系统(110)或储氢系统(106)中的至少一个。
3.根据权利要求1的方法，其中所述发电系统(110)包括氢-基发电系统(110)。
4.根据权利要求3的方法，其中所述氢-基发电系统(110)包括燃料电池-基发电系统或微型涡轮-基发电系统或内燃机-基发电系统或其组合中的至少一种。
5.根据权利要求1的方法，其中所述间歇性可再生能包括风能或太阳能或潮汐能中的至少一种。
6.根据权利要求1的方法，其中所述能量(102)包括热能或电能中的至少一种。
7.根据权利要求1的方法，其中所述制备系统(103)选自电解系统，热裂解系统，电-热裂解系统，热-化学裂解系统，光-化学裂解系统，光-电化学裂解系统及其组合。
8.根据权利要求1的方法，其中所述生物质气化系统(108)包括固定床生物质气化系统或流化床生物质气化系统中的至少一种。
9.根据权利要求1的方法，其中所述生物质原料(140)选自工业废物，农业废物，城市废物，有机废物，能源作物及其混合物。
10.一种共同产生氢(104)和电能(115)的方法，包括：
利用间歇性可再生能源(10)产生制备氢(104)和氧(107)的能量(102)；
将至少部分该能量(102)传递到制备系统(103)，制得所述氢(104)和氧(107)；
将至少部分氢(104)引导至氢输送系统(105)，该氢输送系统(105)被配置以将氢(104)由所述氢输送系统(105)输送到氢-基发电系统(110)，由此产生电能(115)；及
将至少部分氧(107)引导至氧输送系统(130)，该氧输送系统(130)被配置以将氧(107)由所述氧输送系统(130)输送到生物质气化系统(108)，从而通过生物质原料(140)的部分氧化制得合成气(109)。
11.根据权利要求10的方法，还包括下列步骤：
将所述合成气(109)由生物质气化系统(108)引导至氢重整系统(112)，以重整氢(104)；及
将氢(104)由所述氢重整系统(112)引导至氢输送系统(105)，该氢输送系统(105)被配置以将氢(104)由氢输送系统(105)输送到所述氢-基发电系统(110)，由此产生电能(115)。
12.根据权利要求10的方法，其中所述氢-基发电系统(110)包括燃料电池-基发电系统或微型涡轮-基发电系统或内燃机-基发电系统或其组合中的至少一种。
13.根据权利要求10的方法，其中所述间歇性可再生能包括风能或太阳能或潮汐能中的至少一种。
14.根据权利要求10的方法，其中所述能量(102)包括热能或电能中的至少一种。
15.根据权利要求10的方法，其中所述制备系统(103)选自电解系统，热裂解系统，电-热裂解系统，热-化学裂解系统，光-化学裂解系统，光-电化学裂解系统及其组合。
16.一种共同产生氢(104)和电能(115)的方法，包括：
利用间歇性可再生能源(10)产生制备氢(104)和氧(107)的能量(102)；
将至少部分该能量(102)传递到制备系统(103)，从而制得所述氢(104)和氧(107)；
将氢(104)引导至氢输送系统(105)，该氢输送系统(105)被配置以将氢(104)由所述氢输送系统(105)输送到发电系统(110)，由此产生电能(115)；
将氧(107)引导至氧输送系统(130)，该氧输送系统(130)被配置以将氧(107)由所述氧输送系统(130)输送到生物质气化系统(108)，从而通过生物质原料(140)的部分氧化制得合成气(109)；及
将该合成气(109)引导至所述发电系统(110)，由此产生电能(115)。
17.根据权利要求16的方法，其中所述发电系统(110)包括氢-基发电系统(110)。
18.根据权利要求17的方法，其中所述氢-基发电系统(110)包括燃料电池-基发电系统或微型涡轮-基发电系统或内燃机-基发电系统或其组合中的至少一种。
19.根据权利要求16的方法，其中所述间歇性可再生能包括风能或太阳能或潮汐能中的至少一种。
20.根据权利要求16的方法，其中所述能量(102)包括热能或电能中的至少一种。
21.根据权利要求16的方法，其中所述制备系统(103)选自电解系统，热裂解系统，电-热裂解系统，热-化学裂解系统，光-化学裂解系统，光-电化学裂解系统及其组合。
22.一种共同产生氢(104)和电能(115)的系统，包括：
用于由间歇性可再生能源(10)产生能量(102)的能量产生系统(101)；
与该能量产生系统(101)能量相通以制备氢(104)和氧(107)的制备系统(103)；
与该制备系统(103)流体相通以接收来自制备系统(103)的至少部分所述氢(104)的氢输送系统(105)；该氢输送系统(105)被进一步配置以将至少部分氢(104)引导至发电系统(110)或储氢系统中的至少一个；及
与所述制备系统(103)流体相通以接收来自制备系统(103)的至少部分氧(107)的氧输送系统(130)；该氧输送系统(130)被进一步配置以将至少部分氧(107)引导至生物质气化系统；
其中该生物质气化系统(108)被进一步配置以将至少部分合成气(109)引导至所述发电系统(110)。
23.根据权利要求22的系统，还包括由至少部分所述合成气(109)重整氢(104)的氢重整系统(112)；
其中该氢重整系统(112)被进一步配置以将氢(104)由所述氢重整系统(112)引导至氢输送系统(105)。
24.根据权利要求22的系统，其中所述发电系统(110)包括氢-基发电系统(110)。
25.根据权利要求24的系统，其中所述氢-基发电系统(110)包括燃料电池-基发电系统或微型涡轮-基发电系统或内燃机-基发电系统或其组合中的至少一种。
26.根据权利要求22的系统，其中所述间歇性可再生能包括风能或太阳能或潮汐能中的至少一种。
27.根据权利要求22的系统，其中所述能量(102)包括热能或电能中的至少一种。
28.根据权利要求22的系统，其中所述制备系统(103)选自电解系统，热裂解系统，电-热裂解系统，热-化学裂解系统，光-化学裂解系统，光-电化学裂解系统及其组合。
29.根据权利要求22的系统，其中所述生物质气化系统(108)包括固定床生物质气化系统或流化床生物质气化系统中的至少一种。
30.根据权利要求22的系统，其中所述生物质原料(140)选自工业废物，农业废物，城市废物，有机废物，能源作物及其混合物。
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