DE69810604T2

DE69810604T2 - Vorrichtung und methode zur gasgeneration

Info

Publication number: DE69810604T2
Application number: DE69810604T
Authority: DE
Inventors: A. Grubb; S. Malinowski; A. Maston; A. Sederquist; M. Smith; L. Vandine
Original assignee: International Fuel Cells Corp
Current assignee: UTC Power Corp
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1998-04-14
Publication date: 2003-10-16
Anticipated expiration: 2018-04-15
Also published as: US5961928A; AU7128298A; WO1998046346A1; BR9809393A; DE69810604D1; EP0975424B1; EP0975424A1; JP2001520576A; CA2289290A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von industriellen Gasen und im Spezielleren auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen eines industriellen Gases aus einem Kohlenwasserstoff-Vorratsgas (Brennstoff) ansprechend auf dynamische Lastanforderungen von einem nachgeschalteten Prozess.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Reaktionsvorrichtungen für die Erzeugung von industriellen Gasen, wie z. B. Wasserstoff, sind in der Technik allgemein bekannt. Diese Brennstoffverarbeitungsvorrichtungen verwenden die Dampfreformierung als häufigstes Verfahren zum Erzeugen von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoff-Brennstoffen, wie z. B. Erdgas oder Naphtha. Herkömmliche Brennstoffverarbeitungsvorrichtungen (Reformer) kommerzieller Größe sind typischerweise sehr große Einheiten mit konstantem Ausgang, die in ihrer Fähigkeit, sich auf einen variablen Bedarf oder variable Strömungserfordernisse einzustellen, begrenzt sind.
Elektrische Stromerzeugungsvorrichtungen, die als Brennstoffzellen-Kraftanlagen bekannt sind, sind elektrochemische Vorrichtungen, die unter Verbrauch von Wasserstoff an einer Anodenelektrode ihrer Brennstoffzellenanordnung (CSA bzw. Cell Stack Assembly) arbeiten. Der Wasserstoffbedarf der Brennstoffzellen-Kraftanlage ist variabel und läßt sich somit nicht einfach an die konstanten Ausgangseigenschaften herkömmlicher Reformer kommerzieller Größe anpassen. Dies führte den Begünstigten an der vorliegenden Anmeldung zu der erfolgreichen Entwicklung eines kompakten Reformers sowie der zugehörigen Technologie. Der kompakte Reformer, der als integrales Teil der Kraftanlage arbeitet zeichnet sich durch die Fähigkeit aus, eine wasserstoffreiche Strömung zu erzeugen, die ansprechend auf sich ändernden Kraftanlagen- Wasserstoffverbrauch variiert. Diese Technologie ist in den US-Patenten 4,098,588 und 4,098,589 des Begünstigten exemplarisch veranschaulicht.
Es ist auch anerkannt, dass weitere Industriegas-Anforderungen die Wasserstoff-Reinheitsniveaus übersteigen, wie diese von einer Brennstoffverarbeitungsvorrichtung entweder mit den herkömmlichen Ausbildungen kommerzieller Größe oder den kompakten Reformerausbildungen typischerweise erzeugt werden, die in Brennstoffzellen-Kraftanlagen verwendet werden. Zum Erfüllen von solchen höheren Reinheitserfordernissen hinsichtlich des Wasserstoffs kann eine zusätzliche Verarbeitung durch zusätzliche Vorrichtungen verwendet werden, wie z. B. durch Druckschwankungsabsorptionseinheiten (Pressure Swing Absorption Units bzw. PSA-Einheiten), cryogene Einheiten oder Membraneinheiten. Wenn dieses höhere Reinheitserfordernis jedoch in Kombination mit einem variablen Bedarf auftritt, besitzt nur ein kompakter Reformer des Typs, wie er in Brennstoffzellen-Kraftanlagen wendet wird die inhärente Fähigkeit zum Erfüllen dieses Erfordernisses. Leider ist es nicht möglich, einen kompakten Reformer direkt mit einer zusätzlichen bzw. sekundären Einheit, wie z. B. einer Druckschwankungsabsorptionsvorrichtung, zu koppeln, ohne dass man wesentliche Änderungen in dem Betriebssteuersystem der Reformereinheit vornimmt.
Ein Reformer einer Brennstoffzellen-Kraftanlage ist bestrebt, der Zellenstapelanordnung wasserstoffreiches Gas ansprechend auf den Wasserstoffverbrauch zuzuführen, der proportional zu dem Brennstoffzellen-Bruttostrom oder der elektrischen Last ist. Das Austrittsgas (Abgas) der Brennstoffzellen-Kraftanlage, das hinsichtlich des Wasserstoffs verarmt ist, wird dem Reformer-Brenner zugeführt, um Wärme für den Dampfreformiervorgang zu liefern. Die Reformerprozess-Brennstoff- und Dampfzufuhr wird proportional zu dem Brennstoffzellen-Bruttostrom eingestellt, jedoch mit dem Erfordernis, auch eine vorgegebene Reformertemperatur aufrechtzuerhalten.
Für eine Brennstoffzellen-Kraftanlage, die auf einem stabilen Punkt mit konstantem Wasserstoffverbrauch arbeitet, kann die Reformertemperatur durch Erhöhen der Reformerbrennstoffzufuhr gesteigert werden, da dies zu einer direkten und raschen Steigerung der dem Reformer-Brenner zugeführten Abgasmenge führt. Dies bedeutet eine zusätzliche Energiezufuhr für den Reformer und somit einen Anstieg in der Reformertemperatur. Umgekehrt dazu bedeutet eine Reduzierung der Brennstoffzufuhr an einem beliebigen stabilen Betriebspunkt ein Absinken der Reformertemperatur.
Diese direkte Verbindung zwischen der Brennstoffzufuhr und der Reformererwärmung in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage ist nicht möglich, wenn ein kompakter Reformer in Reihe zu einem weiteren Wasserstoffverbrauchs- oder Extraktionsprozess, wie z. B. einer PSA-Einheit, in Reihe geschaltet ist. Das PSA-Abgas oder Einblas-Sprühgas wird von dem Reformer-Brenner zum Erwärmen der Einheit verwendet. Die Strömungsrate und der Heizwert dieses Abgases sind jedoch von der speziellen Arbeitsweise der PSA-Einheit abhängig, jedoch besteht kein direkter Zusammenhang zwischen dem Ausmaß an Brennstoffzufuhr zu dem Reformer und der Qualität oder Menge an Abgas, die zu dem Reformer-Brenner zurückgeführt wird.
Die US-A-5,401,589 offenbart eine Reformervorrichtung zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases für den Verbrauch durch eine nachgeschaltete Brennstoffzellen-Kraftanlage. Die Vorrichtung beinhaltet eine Mehrzahl von Einrichtungen zum Verarbeiten von einströmendem Brennstoff zum Erzeugen des wasserstoffreichen Gases unter Verwendung von in dem nachgeschalteten Prozess abgegebenen Abgas, um Energie zum Verarbeiten des Brennstoffs zu liefern. Die Vorrichtung besitzt ferner eine Steuereinrichtung zum Steuern der Menge an wasserstoffreichem Gas, indem die jeweiligen Verarbeitungseinrichtungen über Ventilanordnungen ansprechend auf Schwankungen in dem Lastbedarf in Verwendung gebracht werden oder außer Betrieb genommen werden.
Es besteht daher ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Gaserzeugung sowie für ein Temperatur- und Strömungssteuersystem sowie ein Verfahren dafür, das das Nichtvorhandensein einer direkten Verbindung zwischen Zuführgas und dem Abgas, das Reformer-Brennern davon von einer nachgeschalteten Einheit wie z. B. einer PSA, zugeführt wird, berücksichtigt und sich bei mehreren, zu einer einzigen Betriebseinheit zusammengefügten Reformern verwenden läßt, um eine gesteigerte Kapazität zu schaffen, wobei jede Betriebseinheit ihre eigene Abgaszufuhr von der PSA sowie eine individuelle Steuerung ihrer Temperatur benötigt.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Das Hauptziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Brennstoffverarbeitungsvorrichtung, die sowohl auf den dynamischen Lastbedarf eines nachgeschalteten Prozesses anspricht als auch einen flexiblen Betriebsbereich aufweist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Brennstoffverarbeitungsvorrichtung sowie eines Verfahrens für die Erzeugung eines gewünschten Gases für einen nachgeschalteten Prozess, wobei die Vorrichtung und das Verfahren eine Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungseinrichtungen verwenden, die in einem funktionsmäßig miteinander gekoppelten Betriebsschema angeordnet sind.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Brennstoffverarbeitungsvorrichtung und eines verbesserten Verfahrens, die bzw. das eine Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungseinrichtungen beinhaltet, die als zusammenhängende Einheit funktionieren, um ein kumulatives Ansprechen auf einen dynamischen Lastbedarf eines nachgeschalteten Prozesses zu erzeugen.
Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Brennstoffverarbeitungsvorrichtung und eines verbesserten Verfahrens, die bzw. das eine Mehrzahl von individuellen Brennstoffverarbeitungseinrichtungen aufweist die von einem Steuersystem gesteuert werden, wobei die Einrichtungen als kombinierte Einheit arbeiten, um ein kumulatives Ansprechen auf dynamische Lastanforderungen eines nachgeschalteten Prozesses zu erzeugen.
Zusätzlich dazu besteht ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer verbesserten Brennstoffverarbeitungs- und brennstoffaufzehrenden Vorrichtung, die eine Mehrzahl von kollektiv betreibbaren Brennstoffverarbeitungseinheiten beinhaltet, die von einem Steuersystem gesteuert werden, wobei ein nachgeschalteter Gaserzeugungsprozess vorhanden ist, um über die Brennstoffverarbeitungssysteme erzeugtes Gas zu verbrauchen und daraus ein aufbereitetes Gas zu erzeugen, wobei die Brennstoffverarbeitungseinheiten auf den Lastbedarf des nachgeschalteten Prozesses dynamisch ansprechen.
Die vorstehend genannten Ziele und Vorteile werden durch die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzielt, wie sie in den Ansprüchen 1 bzw. 14 beansprucht sind. Insbesondere ist eine Vorrichtung zum Erzeugen eines gewünschten Austrittsgases aus einem Eintrittsbrennstoff zur Verwendung in einem nachgeschalteten Prozess offenbart. Die Vorrichtung kann eine Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungseinrichtungen zum Erzeugen des gewünschten Austrittsgases beinhalten, wobei jede der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungseinheiten einen Reformer beinhaltet, der von dem nachgeschalteten Prozess abgegebenes Abgas zum Bereitstellen von Energie für die Verarbeitung des Brennstoffs verwendet. Jede der Brennstoffverarbeitungseinheiten ist über einen Bereich von Betriebsniveaus bis zur vollen Kapazität betreibbar, wobei die Mehrzahl der Brennstoffverarbeitungseinheiten in einem kollektiven Betriebsschema zum Verarbeiten des Brennstoffs miteinander verbunden sind. Ein Steuersystem kann zum Steuern der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungseinheiten ansprechend auf die Erfordernisse eines dynamischen Lastbedarfs von dem nachgeschalteten Prozess vorgesehen sein. Das Steuersystem ist betriebsmäßig dazu ausgebildet, das Betriebsniveau einer jeden der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungseinheiten einzustellen, um individuelle Ansprechreaktionen von jeder der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungseinheiten zu erzeugen. Die individuellen Ansprechreaktionen werden kombiniert, um eine kollektive Ansprechreaktion zum Erfüllen des dynamischen Lastbedarfs zu erzeugen.
Ein solches Verfahren zum Erzielen der vorstehend genannten Ziele und Vorteile beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines gewünschten Austrittsgases aus einem Eintrittsbrennstoff zur Verwendung in einem nachgeschalteten Prozess. Das Verfahren beinhaltet folgende Schritte: Bereitstellen einer Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen, die über einen Bereich von Betriebsniveaus bis zur vollen Kapazität betreibbar sind; Verarbeiten des Brennstoffs unter Verwendung der Brennstoffverarbeitungssysteme zum Erzeugen des gewünschten Austrittsgases; Verwenden von Abgas, das von dem nachgeschalteten Prozess abgegeben wird, um Energie für den Verarbeitungsschritt bereitzustellen; und Steuern der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen ansprechend auf Erfordernisse eines dynamischen Lastbedarfs von dem nachgeschalteten Prozess, wobei dies beinhaltet: Einstellen des Betriebsbereichs eines jeden der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen, um individuelle Ansprechreaktionen von jedem der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen zu erzeugen; und Kombinieren der individuellen Ansprechreaktionen zum Erzeugen einer kollektiven Ansprechreaktion, um die Anforderungen des dynamischen Lastbedarfs zu erfüllen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung einschließlich eines Steuersystems für diese, die eine Mehrzahl von funktionsmäßig miteinander gekoppelten Brennstoffverarbeitungseinheiten beinhaltet;
Fig. 2 eine detailliertere schematische Darstellung einer einzelnen Brennstoffverarbeitungseinheit gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung einschließlich der verschiedenen zugeordneten Eingänge und Ausgänge gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine detailliertere schematische Darstellung der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung einschließlich der verschiedenen Steuerelemente der Vorrichtung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung, die das Steuerschema der vorliegenden Erfindung angibt; und
Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer modulartigen Pallettenausbildung für die Anordnung der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.

BESTE VERFAHRENSWEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG

Unter ausführlicher Bezugnahme auf die Zeichnungen ist in Fig. 1 eine schematische Darstellung der Brennstoffverarbeitungsvorrichtung und des Steuersystems der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei diese allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet sind. Die Vorrichtung 10 ist in Verwendung mit einem nachgeschalteten, Gas verbrauchenden Prozess 12 dargestellt, der ein dynamisches Lastbedarfssignal LS aufweist, auf das die Vorrichtung 10 anspricht. Der nachgeschaltete Prozess 12 kann ein beliebiger Gas verbrauchender Prozess sein, wie z. B. ein cryogener Prozess, ein Membranprozess, eine Brennstoffversorgungsstation, ein Hydrierungsprozess, ein Druckschwankungsabsorptionsprozess usw. Im allgemeinen hat die Vorrichtung 10 die Funktion zum Erfassen der dynamischen Last des nachgeschalteten Prozesses 12, und sie verarbeitet Brennstoff F zum Erzeugen des gewünschten Gases S für den nachgeschalteten Prozess in einer effizienten, maximierten Weise.
Wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 zu sehen ist, verwendet die Vorrichtung 10 eine Mehrzahl von Hauptkomponenten, die Brennstoffverarbeitungseinheiten 14 beinhalten. Die Anzahl der in Fig. 3 gezeigten Brennstoffverarbeitungseinheiten ist lediglich exemplarischer Art, und es kann somit jede beliebige Anzahl verwendet werden, die zum Erfüllen der systemmäßigen Erfordernisse sowie der Erfordernisse des nachgeschalteten Prozesses notwendig sind. Die Vorrichtung beinhaltet ferner ein Steuersystem 16 zum Steuern des gesamten Verarbeitungsverfahrens sowie der verschiedenen, darin verwendeten Elemente, ein Ventilationssystem 17 sowie verschiedene Steuerelemente 18, wie dies im folgenden noch ausführlicher erläutert wird.
Die mehreren Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, können in einem gleichen proportionalen Betriebsschema oder in einem unabhängigen Betriebsschema unter der Steuerung des Steuersystems 16 angeordnet sein. Für das gleiche, proportionale Schema trägt jede Brennstoffverarbeitungseinheit 14a-14c im Wesentlichen gleichmäßig zu der Erzeugung des gewünschten Gases S zur Verwendung durch den nachgeschalteten Prozess 12 bei, und zwar zu einem Prozentsatz ihrer vollen Betriebskapazität. Das unabhängige Betriebsschema dagegen, wie dies durch das Steuersystem 16 vorgegeben wird, ist zum Maximieren der Effizienz der Vorrichtung bei der Gaserzeugung in Abhängigkeit von dem Bedarf des nachgeschalteten Prozesses 12 ausgebildet, wobei die Brennstoffverarbeitungseinheit 14a-14c dazu veranlasst wird, über einen Bereich von prozentualen Betriebsanteilen der vollen Kapazität zu arbeiten, wobei dies jedoch nicht notwendigerweise von allen Elementen gleichzeitig verlangt wird. Das bevorzugte Betriebsschema ist das gleichmäßige, proportionale Schema, bei dem das Steuersystem 16 die Funktion hat die prozentualen Betriebsanteile der Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c ansprechend auf den Bedarf des nachgeschalteten Prozesses 12 zu reduzieren und zu erhöhen sowie eine kumulative Ansprechreaktion zu schaffen, um dadurch die Notwendigkeit zum Stilliegen von einzelnen Einheiten oder zum Hochfahren von einzelnen Einheiten ansprechend auf den dynamischen Lastbedarf des nachgeschalteten Prozesses 12 zu vermeiden. Die Betriebsarten können auf einer Umschaltbasis verwendet werden, und zwar in Abhängigkeit davon, welche für die speziellen Anforderungen des nachgeschalteten Prozesses am effizientesten ist.
Bei den Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c, die in der Vorrichtung 10 verwendet werden, handelt es sich vorzugsweise um Einheiten der International Fuell Cell Corporation, die auch in Brennstoffzellen-Kraftanlagen verwendet werden. Solche Verarbeitungseinheiten sind gezeigt in den US-Patenten 4,098,588 und 4,098,589 von Buswell et al. sowie in dem US-Patent Nr. 4,098,959 von Fanciullo, wobei hinsichtlich der technischen Merkmale derselben auf die ausführlichen Beschreibungen in diesen Patenten verwiesen wird. Die Patente sind übertragen worden auf die United Technologies Corporation, wobei die International Fuell Cells eine Tochterfirma davon ist.
Zur Erleichterung der Beschreibung der vorliegenden Vorrichtung werden die Verarbeitungseinheiten 14a-14c unter Bezugnahme auf Fig. 2 kurz beschrieben, wobei es sich versteht, dass hinsichtlich der ausführlichen Beschreibung der Einheiten auf die Schriften zurückzugreifen ist, die durch Bezugnahme zu einem Bestandteil der vorliegenden Anmeldung gemacht worden sind.
Die Einheiten 14a-14c sind vorzugsweise jeweils gebildet aus einem Dampfreformer 20 und einem Brenner 23. Der Brenner 23 ist betriebsmäßig zum Verbrennen eines Brenner-Brennstoffs G ausgebildet, der durch einen Eingang 21 zugeführt wird, um dadurch die erforderliche Menge an Wärme zur Verwendung durch den Dampfreformer 20 zum Reformieren der Kombination aus Brennstoff F, der über den Eingang 22 in den Reformer 20 eingeleitet wird, sowie Dampf ST, der über den Eingang 21, 22 eingeleitet wird, zu schaffen. Zusätzlich zu den Eingängen 21 und 22 wird für die Verbrennung erforderliche Luft A über einen Eingang 24 in den Brennerabschnitt 23 eingespeist.
Wie in den Fig. 1 und 3 zu sehen ist, wird das Betriebsschema der Vorrichtung 10 durch ein Steuersystem 16, Steuerelemente 18 sowie eine Mehrzahl von Fluidverbindungen oder Leitungen 26 vereinfacht, die die Einheiten 14a-14c mit externen Fluideingängen, Ausgängen zu dem nachgeschalteten Prozess 12 sowie Eingängen von dem nachgeschalteten Prozess verbinden. Das Steuersystem 16 liegt vorzugsweise in Form eines Algorithmus auf Softwarebasis zum Steuern der verschiedenen Elemente der Vorrichtung vor. Es kann jedoch auch ein elektronisch ausgerichtetes System verwendet werden.
Die Verbindungen 26 beinhalten eine Mehrzahl von Leitungen in jede der Brennstoffverarbeitungseinheiten hinein sowie aus diesen heraus. Wie in Fig. 2 gezeigt ist und in Fig. 3 detaillierter dargestellt ist, beinhaltet jede Brennstoffverarbeitungseinheit eine Leitung 30, über die Brennstoff F in den Reformerbereich 20 derselben eingespeist wird. Dampf wird dem Reformer durch eine Leitung 34 zugeführt. Der Dampf wird bei der Dampfreformierung des Brennstoffs F verwendet, um Gas S zu erzeugen, und zwar vorzugsweise in Form eines wasserstoffreichen Gases. Eine weitere Leitung 32 ist zum Einleiten eines Kühlmittels C in jede Brennstoffverarbeitungseinheit 14a-14c zum Kühlen des Systems vorgesehen. Eine weitere Leitung 39 dient zum Einleiten von Dampf ST in den Brennerbereich 23 der Vorrichtung zur anschließenden Kombination mit dem Brenner-Brennstoff G, und eine Leitung 61 führt Luft A zu, die ebenfalls für die Verbrennung verwendet wird. Der Brenner-Brennstoff G, der in Form von Abgas oder Austrittsgas von dem nachgeschalteten Prozess 12 vorliegt, wird durch eine Leitung 36 in den Brenner jeder der Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c eingeleitet. Jede Brennstoffverarbeitungseinheit 14a- 14c beinhaltet ferner eine Ausgangsleitung 38a, 38b und 38c zum Abgeben des erzeugten Gases S auf eine gemeinsame Leitung 38 für die Einspeisung in den nachgeschalteten Prozess 12. Die Menge sowie die Art des Gases S, das von den Brennstoffverarbeitungseinheiten auf die Leitung 38 abgegeben wird, ist von den Erfordernissen des nachgeschalteten Prozesses 12 und ferner auch von der Menge und der Art des in die Vorrichtung eingespeisten Brennstoffs F abhängig. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem nachgeschalteten Prozess 12 um einen Druckschwankungsabsorptionsprozess, bei dem gewünschten Gas 5 handelt es sich um wasserstoffreiches Gas, und bei dem eingespeisten Brennstoff F handelt es sich um Erdgas. Zusätzlich zum Abgeben des gewünschten Gases S gibt jede Einheit das Kühlmittel C durch Leitungen 40a, 40b und 40c auf eine gemeinsame Leitung 40 für die erneute Kühlung und Rezirkulation ab. Somit verwendet jede Brennstoffverarbeitungseinheit 14a-14c Abgas G aus dem nachgeschalteten Prozess 12 zum Versorgen ihres Brenners 23 mit Brennstoff, wobei der Brenner 23 Wärme für den Reformer 20 liefert. Dampf ST wird mit dem Abgas G vor der Verbrennung kombiniert, um den Brennstoff zu stabilisieren, um dadurch eine Kohlenstoffablagerung bei geringer Strömung zu vermeiden sowie auf die Bildung von NOX in dem Brenner zu vermindern. Die Steuereinheit 16 ist durch Steuerelemente 18 dazu ausgelegt, die Strömung von Abgas G, Dampf ST. Kühlmittel C und Brennstoff F sowie des gewünschten Gases S nach Maßgabe der Erfordernisse des nachgeschalteten Prozesses 12 zu steuern, und zwar ansprechend auf den dynamischen Lastbedarf LS desselben. Das eigentliche Steuerverfahren wird im folgenden noch ausführlicher erläutert.
Die Steuerelemente 18 für die Brennstoffverarbeitungseinheit 14a liegen in Form von Ventilen 42a-42c zum Steuern der Strömung von Brennstoff F, Dampf ST bzw. Abgas G in die Brennstoffverarbeitungseinheit vor. Ähnliche Ventile 46a-46c sind für die Einheit 14b vorgesehen, und ähnliche Ventile 48a -48c sind auch für die Einheit 14c vorgesehen. Zusätzliche Steuerelemente 18 beinhalten ein Ventil 50 an dem Eingang der Brennstoffleitung 30, ein Ventil 52 an dem Eingang der Dampfleitung 34, ein Ventil 54 an dem Ausgang der Freisetzleitung 56 zum Freisetzen von Gas S bei Auftreten eines übermäßigen Rückdrucks, ein Ventil 58 an dem Ausgang der Leitung 38 zum Steuern des dem nachgeschalteten Prozess 12 zugeführten Gases S sowie einen Strömungsmesser 59 zum Dosieren und Steuern der Menge an Abgas G, das von dem nachgeschalteten Prozess 12 zugeführt wird. Zusätzlich dazu ist ein Gebläse 60 vorgesehen, um Luft A durch eine Leitung 61 in den Brennerbereich 23 jeder Brennstoffverarbeitungseinheit 14a-14c zum Unterstützen der Verbrennung einzuleiten. Alle der Elemente 18 befinden sich unter der Steuerung des Steuersystems 16, damit die Vorrichtung 10 direkt auf den dynamischen Lastbedarf LS des nachgeschalteten Prozesses 12 anspricht.
Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 4 zu sehen ist, erhält das Steuersystem 16 ein Anfahr-/Stoppsignal STS sowie ein Lastbedarfssignal LS von dem nachgeschalteten Prozess 12, und es liefert Betriebsstatussignale SS zurück an die Steuerung (nicht gezeigt) des nachgeschalteten Prozesses 12. Die Steuerstrategie des Systems 16 basiert auf dem Lastsignal von dem nachgeschalteten Prozess 12, das vorzugsweise in Form einer Strömungsrate oder eines Druckniveaus vorliegt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Aufnahmebehälter in dem nachgeschalteten Prozess 12 mit einem Druckaufnehmer bzw. Druckwandler ausgerüstet sein. Das Lastsignal LS von dem Wandler verlangt somit mehr Prozessbrennstoff F und Dampf ST, wenn der Druck sinkt, was einen höheren Bedarf durch den nachgeschalteten Prozess 12 anzeigt, sowie weniger Prozessbrennstoff F und Dampf ST, wenn der Druck steigt, was einen niedrigeren Bedarf durch den Prozess 12 anzeigt. In anderen Fällen könnte ein beliebiges variables Signal verwendet werden, das einen nachgeschalteten Bedarf darstellt. Das Lastsignal LS wird von dem System 16 zum Steuern des Eingangsniveaus des Brennstoffs F in die Brennstoffverarbeitungseinheiten 14 und im Spezielleren dem Reformer 20 sowie auch der Temperatur innerhalb jeder der Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c verwendet.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 4 wird das Steuerschema der Vorrichtung 10 unter spezieller Bezugnahme auf die Brennstoffverarbeitungseinheit 14a beschrieben, wobei es sich versteht, dass die nachfolgende Beschreibung ebenso für alle anderen Brennstoffverarbeitungseinheiten der Vorrichtung gilt.
Wie dargestellt ist, basiert die Steuerstrategie für die Vorrichtung auf dem von dem nachgeschalteten Prozess 12 kommenden Lastsignal LS in Form der Strömungsrate oder des Drucks. Das Lastsignal LS wird von der Vorrichtung 10 und der Steuereinheit 16 verwendet um die Menge des in den Reformer 20 eingespeisten Brennstoffs F sowie die Reformertemperatur T der Brennstoffverarbeitungseinheiten 14 einzustellen. Wie unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 4 zu sehen ist handelt es sich bei der Temperatur T des Reformers 20 um den Hauptparameter, der von dem Steuersystem berücksichtigt wird. Das heißt, auf der Basis des dynamischen Lastbedarf des nachgeschalteten Prozesses 12 sowie der erforderlichen Strömung von Brennstoff F zum Erfüllen dieses Bedarfs arbeitet das Steuersystem 16 zum Aufrechterhalten der Temperatur T des Reformers auf einem feststehenden Niveau. Unter Bezugnahme z. B. auf die Einheit 14a berücksichtigt der Steueralgorithmus des Systems 16 zum Halten der Reformertemperatur T auf dem feststehenden Niveau somit die Reformertemperatur T, die Position PV42a des Brenner-Brennstoffströmungsventils 42a und die Position PV67a der Brenner-Luftströmungsventile 67a zum Vornehmen von Einstellungen an der Brenner-Luftströmungsrate und der Brenner-Brennstoffströmungsrate, um die Temperatur T auf einem Niveau nach Maßgabe des dynamischen Lastbedarfs sowie der erforderlichen Strömung des Brennstoffs F aufrechtzuerhalten.
Zum Halten der Reformertemperatur T auf dem erforderlichen Niveau zum Erleichtern der chemischen Reaktion oder der Umwandlung von Brennstoff in H&sub2;-reiche Produkte in dem Reformer 20 im Hinblick auf den Brennstoff F muss bei Erhöhung der Menge an Brennstoff F zum Steigern der Zufuhr des gewünschten Gases G zu dem nachgeschalteten Prozess eine ausreichende Menge an Abgas G für den Reformer-Brenner 23 verfügbar sein, um die Wärme zum Aufrechterhalten der Reformertemperatur zu liefern. Wenn von dem nachgeschalteten Prozess nicht ausreichend Abgas G zur Verfügung steht oder wenn das Abgas in seiner Zusammensetzung derart variiert, dass dies das Erreichen der erforderlichen Reformertemperatur beeinträchtigt und dadurch der Reformer-Brenner 23 nicht die erforderliche Reformertemperatur zum Reformieren der gewünschten Menge an Brennstoff F für die Erzeugung von Gas S aufrechterhalten kann, wird ein Signal von dem Steuersystem 16 an das Brennstoffsteuerventil 42a geliefert, um die Strömung von Brennstoff F zu reduzieren. Dieser Weg ermöglicht somit Variationen in dem Abgas G im Hinblick auf Schwankungen in der Zusammensetzung und der Menge, indem die Strömung des Brennstoffs F anschließend vermindert wird.
Vom Standpunkt der Abfolge her sowie unter weiterer Bezugnahme z. B. auf die Einheit 14a wird das Lastsignal LS von dem Steuersystem 16 empfangen, und es erfolgt eine Einstellung der Strömung von Brennstoff F in den Reformer 20. Wenn die Reformer-Strömung von Brennstoff F und die Dampfströmung ST gesteigert werden, so dass die Wärmeabgabe des Brenners erhöht werden muss, um die erforderliche chemische Reaktion zu unterstützen, wird die Strömung von Abgas G aus dem nachgeschalteten Prozess 12 über den Brennstoffmesser 59 und das Ventil 42c erhöht, um dadurch die Menge des Brennstoffs des Reformer-Brenners zu erhöhen und anschließend die Wärmeabgabe des Brenners zu erhöhen. Zusammen mit den Erhöhungen und Reduzierungen in der Strömung des Abgases G wird auch die Strömung von Dampf ST in entsprechender Weise erhöht und vermindert, und zwar über das Ventil 52 und das unabhängige Ventil der Einheit 14a, d. h. das Ventil 42b, wobei die übrigen Einheiten 14b und 14c in der gleichen Weise arbeiten, wie dies für die Einheit 14a beschrieben worden ist.
Das Steuersystem 16 sowie das Steuerschema dafür sorgen für Schutz für die Vorrichtung 10 unter Verwendung eines Drucksensors in dem Entlastungsfreisetzventil 54, um sicherzustellen, dass kein Gegendruck durch den nachgeschalteten Prozess 12 auf das System einwirkt, mit dem es eine Schnittstelle hat. Das Steuersystem 16 überwacht somit ein Signal zum Betreiben des Entlastungsventils 54 und zum Stilliegen des Systems, falls ein übermäßiger Druck über einen bestimmten Zeitraum auftreten sollte.
Das Steuersystem 16 für die Vorrichtung 10 weist mindestens zwei Betriebsarten auf. Die bevorzugte gleichmäßig proportionale Betriebsart funktioniert derart, dass die gesamte Vorrichtung 10 einschließlich jedes unabhängigen Brennstoffverarbeitungssystems 14a-14c als ein einziges großes System arbeitet. Das heißt, wenn der nachgeschaltete Prozess eine Einstellung der Last erforderlich macht, werden die Brennstoffverarbeitungssysteme 14a-14c über das Steuersystem 16 derart eingestellt, dass sie auf gleichen Betriebsniveaus arbeiten, um ein kumulatives Betriebsniveau kollektiv ansprechend auf den Lastbedarf LS zu schaffen. Wenn z. B. der Lastbedarf von dem nachgeschalteten Prozess 12 ein Arbeiten der Vorrichtung 10 auf einer Kapazität von 50% erforderlich macht, wird jedes Brennstoffverarbeitungssystem 14a-14c von dem Steuersystem 16 veranlasst, auf einer Kapazität von 50% zu arbeiten. Auf diese Weise arbeitet das Steuersystem in der vorstehend unter Bezugnahme auf die Brennstoffverarbeitungseinheit 14a beschriebenen Weise zum Einstellen bzw Verstellen der Brennstoffströmung und somit des Niveaus des Ausgangs des gewünschten Gases S für jede Einheit 14a-14c. Bei einer typischen Systemausbildung erfordert ein normaler Betrieb ein Arbeiten der einzelnen Einheiten auf einer Kapazität, die viel geringer ist als die volle Kapazität, so dass man bei Bedarf überschüssige Kapazität zur Verfügung hat. In dem zweiten Betriebsmodus werden die mehreren Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c veranlasst, in voneinander unabhängiger Weise zu arbeiten. Wenn der nachgeschaltete Prozess 12 einen Lastbedarf LS ausgibt, der ein Arbeiten der Vorrichtung 10 auf teilweiser Kapazität erforderlich macht, werden die Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c derart geordnet dass der Ausgang von nur einigen wenigen einzelnen Einheiten, die auf ihrem jeweiligen optimalen Punkt arbeiten, maximiert wird. Diese Konfiguration oder Betriebsweise ermöglicht den übrigen Brennstoffverarbeitungs-Untersystemen, die nicht in Betrieb sind oder sich im Leerlauf befinden, die Schaffung von Redundanz, wenn es in einer der Brennstoffverarbeitungseinheiten zu einem Defekt kommt. Zum Beispiel kann bei einer Vorrichtung 10, die aus drei Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a- 14c besteht, bei einem Lastbedarf von 50% Kapazität eine der Einheiten 14a durch Schließen ihres Brenner-Brennstoffs, der Brennerluft, des Prozessbrennstoffs sowie der Prozessdampfventile stillgelegt werden, während die Einheiten 14b und 14c jeweils auf einer Kapazität von 75% betrieben werden.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung 10 ist vorzugsweise auf einer einzigen Palette 100 angeordnet, so dass eine modulare Ausbildung des Systems und damit eine kostengünstige Möglichkeit zum Erfüllen eines Bereichs von Ausgangserfordernissen geschaffen wird. Fig. 5 zeigt ein Beispiel von vier Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14d, die auf der Palette 100 angeordnet sind. Die Palette 100 ist vorzugsweise in vier Abschnitte oder Unterteilungen geteilt, und zwar einen Abschnitt pro Brennstoffverarbeitungseinheit. Der Abschnitt 110 enthält die erste Brennstoffverarbeitungseinheit 14a und das Steuersystem 16, und eine Abteilung 111 enthält elektronische Steuerungen 113 zur Verwendung bei dem System 16. Die Abschnitte 112, 114 und 116 beinhalten jeweils eine Brennstoffverarbeitungseinheit 14b-14d. Der Abschnitt 112 beinhaltet ferner eine Abteilung 117, die den Rest 118 der elektronischen Steuerungen 113 enthält. Vorzugsweise sind die Einheiten von einer Umhüllung 120 umschlossen, die eine Mehrzahl von identischen miteinander austauschbaren und abnehmbaren Tafeln 122 beinhaltet. Bei einer Veränderung der Anzahl von Brennstoffverarbeitungseinheiten in der Vorrichtung handelt es sich bei den einzigen Änderungen an der Palette um die Anordnung der Leitungen oder Rohre 26, die vorstehend zum Transportieren der verschiedenen Fluide beschrieben worden sind, sowie dem Austausch des Brennstoffabteilungs-Ventilationsgebläsesystems für jede Einheit 14. Zum Beispiel wäre bei einer drei Elemente aufweisenden Brennstoffverarbeitungseinheit, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, der letzte Abschnitt 116 entfernt, und die Rohre oder Leitungen wären derart eingestellt dass sie den niedrigeren Strömungserfordernissen der neuen Vorrichtung Rechnung tragen würden. Eine Halterung für das Brennstoffabteilungs-Ventilationssystem würde derart eingestellt, dass die geeignete Luftströmung in die Abteilung zur Verfügung gestellt wird. Eine Gehäuseventilation für jede Einheit ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass sich alle der elektrischen Komponenten in einer separat ventilierten Abteilung oder in einem Bereich befinden, in dem diese von direkter Außenluft überströmt werden. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Abteilungen 111, 117 durch Wände 124, 126 von den Abteilungen 110 und 112 der Brennstoffverarbeitungseinheit getrennt. Die elektrische Abteilung enthält vorzugsweise die Steuerung 16 und erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Höhe der Einheit 14, für die sie verwendet wird. Die Abteilungen bzw. Kammern 111, 117 enthalten vorzugsweise auch den Motor für das Brennstoffabteilungs- Ventilationsgebläse sowie das Luftgebläse 60, das den Reformer-Brennern Luft zuführt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 spricht die Vorrichtung 10 im Betrieb auf den dynamischen Lastbedarf des nachgeschalteten Prozesses 12 derart an, dass ihr die verlangte Menge an Gas zugeführt wird. Daher erhält das Steuersystem 16 Start-/Stoppsignale STS von dem nachgeschalteten Prozess 12 zusammen mit dem Lastbedarfssignal. Wenn es sich bei dem Signal um ein Anfahrsignal handelt, wird das in Form von Druck oder einer Strömungsrate vorliegende Lastsignal von dem Steuersystem 16 verarbeitet, und die einzelnen Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c werden in Abhängigkeit von dem gewählten Systemmodus aufgerufen, wobei es sich vorzugsweise um den gleichmäßigen proportionalen Modus handelt, in dem alle der Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c zusammen mit den Steuerelementen 18 der Vorrichtung 10 und dem Steuersystem 16 als eine einzige Einheit arbeiten. Ansprechend auf das Lastsignal LS wird somit die Strömung von Brennstoff F durch die Ventile 42a, 46a und 48a der Einheiten 14a, 14b bzw. 14c eingestellt, wobei dies auch für den Dampf ST durch die Ventile 42b, 46b und 48b sowie für die Luft A durch die Ventile 67a-67c gilt. Unter der Annahme, dass eine gesteigerte Brennstoffströmung erwünscht ist, um die Abgabe des Gases S zu dem nachgeschalteten Prozess 12 zu steigern, wird jedes der Ventile 42a, 46a und 48a geöffnet, um die Strömung von Brennstoff F zu erhöhen. Die Ventile 42b, 46b und 48b werden zusammen mit den Ventilen 67a-67c ebenfalls zum Erhöhen der Dampfströmung bzw. der Luftströmung eingestellt. Die Temperatur T des Reformers 20 wird geprüft, um festzustellen, ob die Temperatur ausreichend hoch ist um die erforderliche chemische Reaktion mit der eingestellten Menge an Brennstoff F zu erleichtern, um dadurch die gewünschte Menge an Austrittsgas S zu erzeugen. Die Reformertemperatur T wird durch Erhöhen der Strömung von Abgas G in den Brennerbereich 23 des Reformers 20 über die Ventile 42c, 46c und 48c der Einheiten 14a, 14b bzw. 14c eingestellt. Wenn das Abgas G in der erforderlichen Menge vorhanden ist, steht die erforderliche Temperatur T zum Unterstützen der erforderlichen Wärme und der chemischen Reaktion mit der eingestellten Menge an Brennstoffströmung zur Verfügung. Im Gegensatz zu einer typischen Brennstoffzellen-Kraftanlage, in der das Brenner-Brennstoffgas ausschließlich als Abgas von dem Ausgang der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann das vorliegende System jedoch wahlweise stromabwärtiges Abgas von einer zusätzlichen oder anderen Zufuhr 70 verwenden, wie dies beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, so dass die Brenner-Brennstoffzufuhr nicht notwendigerweise ausschließlich mit dem nachgeschalteten Prozess verbunden ist. Wenn für dieses System das Abgas G volumenmäßig unzulänglich ist oder die Zusammensetzung desselben die zum Reformieren des Brennstoffs S erforderliche Temperatur nicht unterstützt, tritt das Steuersystem 16 in Funktion, um die Positionen der Brennstoff-Strömungsventile 42a, 46a und 48a wieder einzustellen und dadurch die Strömung von Brennstoff F auf ein Niveau zu reduzieren, auf dem die korrekte Temperatur mit der gegebenen Zufuhr und Zusammensetzung von Abgas G erreicht werden kann, oder aber um zusätzliches Gas G von einer anderen Quelle zu erhalten, wenn eine solche verfügbar ist. Die Strömung von Dampf ST und Luft A wird ebenfalls entsprechend eingestellt. Dieser Prozess ist dahingehend dynamisch, dass bei sich änderndem Lastbedarf die Vorrichtung 10 reagiert, um die erwünschte Reformertemperatur T und die erwünschte Strömung von Brennstoff F aufrechtzuerhalten, um dadurch den Ausgang der gewünschten Gases S einzustellen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei dem nachgeschalteten Prozess um ein Druckschwankungsabsorptionssystem, wobei es sich bei dem Brennstoff F um Erdgas handelt und es sich bei dem Gas S um eine wasserstoffreiche Gasströmung handelt. Das Druckschwankungsabsorptionssystem ist betriebsmäßig für die Verwendung des Gases S ausgebildet, um eine in hohem Maß gereinigte Form von Wasserstoff zu erzeugen.
In einem weiteren Modus der Vorrichtung 10 können die Brennstoffverarbeitungseinheiten 14a-14c von dem Steuersystem 16 in einem unabhängigen Betriebsschema angeordnet werden. Bei diesem Schema bewirkt das Steuersystem 16 im Betrieb eine Einstellung der Betriebskapazität der einzelnen Brennstoffverarbeitungseinheiten zum Maximieren der Effizienz des Systems. Bei einem niedrigen Bedarf z. B., kann es am effizientesten sein, zwei der Brennstoffverarbeitungseinheiten bei einem bestimmten Prozentsatz der vollen Kapazität laufen zu lassen, während die dritte Einheit oder die übrigen Einheiten beispielsweise im Leerlauf gehalten werden. Auch kann es bevorzugt sein, verschiedene Einheiten auf unterschiedlichen Kapazitäten laufen zu lassen, und zwar in Abhängigkeit von der bekannten Leistungsfähigkeit der jeweiligen Einheit relativ zu anderen Einheiten. Wenn die Brennstoffumwandlungseffizienz einer Einheit sich im Verlauf der Zeit verschlechtert, kann der prozentuale Beitrag dieser Einheit relativ zu den anderen Einheiten vermindert werden.
Bei dem bevorzugten, gleichmäßigen proportionalen Betriebsmodus können alle Brennstoffverarbeitungs-Reformereinheiten rasch auf Änderungen in dem Bedarf von dem nachgeschalteten Prozess 12 ansprechen. Das System ist weniger effizient bei niedrigem Ausgang, da alle Einheiten im warmen Zustand gehalten werden müssen und einem Wärmeverlust standhalten müssen, der auf allen Energieniveaus im wesentlichen konstant ist. In diesem Fall kann jedoch eine einzige Brennstoffverarbeitungseinheit, die bei voller Ausgangsleistung arbeitet, die Erfordernisse des nachgeschalteten Prozesses 12 in effizienter Weise unterstützen. Somit können die übrigen Einheiten stillgelegt oder in einem Standby-Zustand mit reduzierter Temperatur und keiner oder minimaler Strömung gehalten werden. Diesem Betriebsmodus fehlt eine rasche Ansprechfähigkeit, da zum Erzielen einer vollen Ausgangsleistung der Vorrichtung die im Leerlauf bzw. Ruhezustand befindlichen Einheiten wieder auf die volle Betriebstemperatur erwärmt werden müssen, um die ihnen zugeteilte Ausgangsleistung zu erreichen. Zum Erzielen der effizientesten Arbeitsweise der Vorrichtung kann es wünschenswert sein, den Betriebsmodus auszuwählen, der für eine spezielle Anwendung effizienter sein kann als für eine andere.
Es versteht sich, dass hinsichtlich der Vorrichtung, des Systems sowie des Prozesses, wie diese vorstehend beschrieben worden sind, eine beliebige Anzahl von Brennstoffverarbeitungseinheiten 14 in der Vorrichtung 10 verwendet werden kann und dass das offenbarte Beispiel von drei und vier Brennstoffverarbeitungseinheiten nur ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt. In Abhängigkeit von dem Bedarf des nachgeschalteten Prozesses kann die Anzahl der Brennstoffverarbeitungseinheiten im wesentlichen gesteigert oder vermindert werden, wobei es sich wiederum versteht, dass die vorstehend beschriebene Vorrichtung 10 sich zur Verwendung bei allen ihren Variationen in einfacher Weise anpassen läßt.
Der Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine verbesserte Brennstoffverarbeitungsvorrichtung geschaffen wird, wobei die Vorrichtung sowohl auf den dynamischen Lastbedarf eines nachgeschalteten Prozesses anspricht als auch einen flexiblen Betriebsbereich aufweist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer verbesserten Brennstoffverarbeitungsvorrichtung und eines verbesserten Verfahrens für die Erzeugung eines gewünschten Gases für einen nachgeschalteten Prozess, wobei die Vorrichtung und das Verfahren von einer Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen Gebrauch machen, die in einem funktionsmäßig miteinander gekoppelten Betriebsschema angeordnet sind. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine verbesserte Brennstoffverarbeitungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren geschaffen werden, die bzw. das eine Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen beinhaltet, die als zusammenhängende Einheit wirken, um ein kumulatives Ansprechen auf einen dynamischen Lastbedarf eines nachgeschalteten Prozesses zu erzeugen. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine verbesserte Brennstoffverarbeitungsvorrichtung und ein verbessertes Verfahren geschaffen werden, die bzw. das eine Mehrzahl von individuellen Brennstoffverarbeitungssystemen beinhaltet die von einem Steuersystem gesteuert werden und die bei der Vorrichtung und dem Verfahren als eine kombinierte Einheit arbeiten, um eine kumulative Ansprechreaktion auf dynamische Lastanforderungen eines nachgeschalteten Prozesses zu erzeugen. Zusätzlich dazu besteht ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass eine verbesserte Brennstoff verarbeitende und verbrauchende Vorrichtung geschaffen wird, die eine Mehrzahl von kollektiv betreibbaren und von einem Steuersystem gesteuerten Brennstoffverarbeitungseinheiten sowie einen nachgeschalteten Gaserzeugungsprozess beinhaltet, um über die Brennstoffverarbeitungssysteme erzeugtes Gas zu verbrauchen und daraus ein aufbereitetes Gas zu erzeugen, wobei die Brennstoffverarbeitungseinheiten auf den Lastbedarf des nachgeschalteten Prozesses dynamisch ansprechen.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel derselben zur besten Ausführung dargestellt und beschrieben worden ist, versteht es sich für den Fachmann, dass die vorstehenden sowie verschiedene weitere Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen in der Form und Details der Erfindung vorgenommen werden können, ohne dass man den Umfang der Erfindung verlässt, wie diese beansprucht ist.

Claims

1. Vorrichtung (10) zum Erzeugen eines gewünschten Austrittsgases (S) aus einem Eintrittsbrennstoff (F) zur Verwendung in einem nachgeschalteten Prozess (12), wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist:

eine Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) zum Verarbeiten des Brennstoffs (F) zur Erzeugung des gewünschten Austrittsgases (S), wobei die Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) Einrichtungen zum Verwenden von aus dem nachgeschalteten Prozess (12) abgegebenem Abgas (G) zur Bereitstellung von Energie für die Verarbeitung des Brennstoffs (F) aufweist, wobei jede der Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) in einem Bereich von Betriebsniveaus bis zur vollen Kapazität betreibbar ist und wobei die Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) in einem kollektiven Betriebsschema zum Verarbeiten des Brennstoffs (F) miteinander verbunden ist;

eine Steuereinrichtung (16; 18) zum Steuern der Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) ansprechend auf einen dynamischen Lastbedarf von dem nachgeschalteten Prozess (12), wobei die Steuereinrichtung (16, 18) betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, das Betriebsniveau einer jeden der Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) einzustellen, um individuelle Ansprechreaktionen von jeder der Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) zu erzeugen, wobei der Bereich der Betriebsniveaus bei jeder der Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) von Leerlauf bis volle Kapazität variieren kann; und

eine Einrichtung zum Kombinieren der individuellen Ansprechreaktionen zum Erzeugen einer kollektiven Ansprechreaktion zum Erfüllen des dynamischen Lastbedarfs.

2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei es sich bei jeder der Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) um ein Brennstoffverarbeitungssystem (14) handelt, das einen Brenner (23) mit einem Eingang (21) zum Empfangen des Abgases (G) aus dem nachgeschalteten Prozess (12) sowie einen Reformer (20) aufweist, und wobei der Brenner (23) Abgas (G) zur Erzeugung von Wärme für die Verwendung durch den Reformer (20) verbrennt, um den Brennstoff (F) in das gewünschte Gas (S) umzuwandeln.

3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, weiterhin mit einer Einrichtung (39) zum Zuführen von Dampf (ST) zu dem Abgas (G) vor dem Eintritt in den Brenner (23) zum Stabilisieren des Abgases (G) für die Verbrennung.

4. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jedes der Brennstoffverarbeitungssysteme (14) eine Mehrzahl von Steuerungseinrichtungen (18) für die individuelle Steuerung von Parametern aufweist, die zumindest einen Parameter aus der Strömung des Brennstoffs (F), der Strömung des Dampfes (ST), der Strömung von Luft (A) sowie der Temperatur des Reformers (20) beinhalten.

5. Vorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung (16, 18) eine Einrichtung (18) zum individuellen Steuern der Parameter jedes der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen (14) aufweist, um die Teilnahme in dem kollektiven Betriebsschema zu steuern.

6. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuereinrichtung (16, 18) dazu ausgebildet ist, die Effizienz der Mehrzahl von Verarbeitungseinrichtungen (14) bei der Erzeugung der kollektiven Ansprechreaktion zu maximieren.

7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung zum Maximieren (16) dazu ausgebildet ist, die individuellen Ansprechreaktionen in der effizientesten Weise zum Erzeugen der kollektiven Ansprechreaktion auf den dynamischen Lastbedarf einzustellen.

8. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuereinrichtung (16, 18) eine Einrichtung zum Kommunizieren mit dem nachgeschalteten Prozess (12) aufweist, um ein dynamisches Lastsignal (LS) zu empfangen, das den Bedarf anzeigt.

9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung (16, 18) eine Einrichtung (16) zum gleichmäßigen Verteilen des Lastbedarfs auf jede der Verarbeitungseinrichtungen (14) aufweist, so dass jede der Verarbeitungseinrichtungen (14) im Wesentlichen gleich zu der kollektiven Ansprechreaktion beiträgt.

10. Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verarbeitungseinrichtung (14) eine Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungselementen (14) aufweist, wobei jedes der Elemente (14) eine Einrichtung (21; 22; 24) zum Empfangen von Brennstoff (F), Abgas (G), Luft (A) und Dampf (ST) zur Verwendung bei der Verarbeitung des Brennstoffs (F) aufweist.

11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, weiterhin mit einer Einrichtung (30; 34; 36; 38; 39; 61) zum Leiten des Brennstoffs (F), des Abgases (G), der Luft (A) und des Dampfes (ST) zu der Empfangseinrichtung (21; 22; 24) der Brennstoffverarbeitungselemente (14), und mit Steuerelementen (67a, 42a-42c; ...), die mit der Steuereinrichtung (16; 18) und der Einrichtung zum Lenken der Verteilung des Brennstoffs (F), des Abgases (W), der Luft (A) und des Dampfes (ST) unter den Brennstoffverarbeitungselementen (14) zusammenarbeiten.

12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 11, wobei die Steuerelemente (67a, 42a-42c; ...) Ventile (67a, 42a-42c; ...) und/oder Strömungsmesser (59) in Verbindung mit der Steuereinrichtung (16, 18) zum Steuern der Strömung des Brennstoffs (F), der Strömung des Abgases (G), der Strömung der Luft (A) und der Strömung des Dampfes (ST) zu den Elementen (14) aufweisen.

13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Verarbeitungseinrichtungen (14) eine Betriebstemperatur (T) zum Verarbeiten des Brennstoffs (F) aufweisen, die mit steigenden Brennstoffströmung zunimmt, und wobei das Abgas (G) in einer Menge und Zusammensetzung verfügbar ist weiterhin mit einer Einrichtung zum Erfassen der Betriebstemperatur (T), wobei die Steuereinrichtung (16; 18) eine Einrichtung zum Veranlassen der Steuerelemente (67a, 42a-42c; ...) zum Steigern der Brennstoffströmung auf ein höheres Strömungsniveau und zum Steigern der Strömung des Abgases (G) ansprechend auf eine Erhöhung des Lastbedarfs aufweist, wobei dann, wenn zumindest eine Größe aus Menge und Zusammensetzung des Abgases (G) unzulänglich ist, um die Temperatur (T) auf einem Temperaturniveau zum Verarbeiten des Brennstoffs (F) auf einem höheren Betriebsniveau zu halten, die Einrichtung zum Veranlassen eine Verminderung der Brennstoffströmung veranlasst, bis das Abgas (G) in Menge und Zusammensetzung ausreichend ist.

14. Verfahren zum Erzeugen eines gewünschten Austrittsgases (S) aus einem Eintrittsbrennstoff (F) zur Verwendung in einem nachgeschalteten Prozess (12), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

Bereitstellen einer Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen (14a- 14d), die über einen Bereich von Betriebsniveaus bis zur vollen Kapazität betreibbar sind;

Verarbeiten des Brennstoffs (F) unter Verwendung der Brennstoffverarbeitungssyssteme (14a-14d) zum Erzeugen des gewünschten Austrittsgases (S);

Verwenden von Abgas (G), das von dem nachgeschalteten Prozess (12) abgegeben wird, um Energie für den Verarbeitungsschritt bereitzustellen; und

Steuern der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen (14a-14c) ansprechend auf Erfordernisse eines dynamischen Lastbedarfs (LS) von dem nachgeschalteten Prozess (12), wobei dies beinhaltet:

Einstellen des Betriebsniveaus eines jeden der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitungssystemen (14a-14c), um individuelle Ansprechreaktionen von jedem der Mehrzahl von Brennstoffverarbeitunngssystemen (14a- 14c) zu erzeugen, wobei der Schritt des Einstellens ein Variieren der Betriebsniveaus von Leerlauf bis volle Kapazität beinhaltet; und

Kombinieren der individuellen Ansprechreaktionen zum Erzeugen einer kollektiven Ansprechreaktion zum Erfüllen des dynamischen Lastbedarfs.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Schritt der Verwendung die Verbrennung des Abgases (G) zum Erzeugen von Wärme zum Reformieren des Brennstoffs (G) in das gewünschte Gas (S) beinhaltet.

16. Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin mit dem Schritt des Zuführens von Dampf (ST) zu dem Abgas (G) vor dem Schritt der Verbrennung zum Stabilisieren des Abgases (G) für die Verbrennung.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Schritt des Steuerns ferner den Schritt des individuellen Steuerns einer Mehrzahl individueller Parameter der Brennstoffverarbeitungssysteme (14a-14d) beinhaltet, wobei die Parameter zumindest einen Parameter aus der Strömung des Brennstoffs (F), der Strömung des Dampfes (ST) sowie der Temperatur des Brenners (23) beinhalten, um die Teilnahme der Brennstoffverarbeitungssysteme (14a-14d) in einem kollektiven Betriebsschema zu steuern.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei der Schritt des Steuerns die Maximierung der Effizienz der Mehrzahl von Verarbeitungssystemen (14a-14d) bei der Erzeugung der kollektiven Ansprechreaktion beinhaltet.

19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Schritt der Maximierung den Schritt des Einstellens der individuellen Ansprechreaktionen in der effizientesten Weise zum Erzeugen der kollektiven Ansprechreaktion auf den dynamischen Lastbedarf beinhaltet.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei der Schritt des Einstellens den Schritt des Kommunizierens mit dem nachgeschalteten Prozess beinhaltet, um ein dynamisches Lastsignal (LS) zu empfangen, das den Bedarf anzeigt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Schritt des Einstellens ferner den Schritt des gleichmäßigen Verteilens des Lastbedarfs auf jedes der Verarbeitungssysteme (14a-14d) beinhaltet, so dass jedes der Verarbeitungssysteme (14a-14d) im Wesentlichen gleich zu der kollektiven Ansprechreaktion beiträgt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, weiterhin mit dem Schritt, in dem die Brennstoffverarbeitungssysteme (14a-14d) das Abgas (G), Luft (A) und Dampf (ST) zur Verwendung bei der Verarbeitung des Brennstoffs empfangen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, weiterhin mit den Schritten des Leitens des Brennstoffs (F), des Abgases (G), der Luft (A) und des Dampfes (ST) zu den Brennstoffverarbeitungselementen (14a-14d) sowie dem Schritt des Einstellens, der den Schritt des Steuerns der Verteilung des Brennstoffs (F), des Abgases (W), der Luft (A) und des Dampfes (ST) unter den Brennstoffverarbeitungselementen (14a-14d) beinhaltet.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Brennstoffverarbeitungssysteme (14a-14d) eine Betriebstemperatur (T) zum Verarbeiten des Brennstoffs (F) aufweisen, die mit steigender Brennstoffströmung zunimmt, und wobei das Abgas (G) in einer Menge und Zusammensetzung verfügbar ist, weiterhin mit folgenden Schritten:

Erfassen der Betriebstemperatur (T); und

wobei der Schritt des Steuerns das Veranlassen einer Steigerung in dem Brennstoffströmungsniveau und der Strömung des Abgases (G) beinhaltet, um die Betriebsniveaus ansprechend auf eine Erhöhung des Lastbedarfs zu steigern, wobei dann, wenn zumindest eine Größe aus Menge und Zusammensetzung des Abgases (G) unzulänglich ist, um die Temperatur (T) auf einem Temperaturniveau zum Verarbeiten des Brennstoffs (F) auf einem höheren Betriebsniveau zu halten, der Schritt des Steuerns das Veranlassen einer Verminderung des Brennstoffströmungsniveaus beinhaltet, bis das Abgas (G) in Menge und Zusammensetzung ausreichend ist, um die Brennstoffverarbeitung auf dem Brennstoffströmungsniveau ausreichend zu unterstützen.