[发明专利]具有集成的碳捕集的重整/水裂解和用于发电的电化学系统的集成

说明书

本发明通常涉及在原位CO₂捕集下发电的系统和方法。在某些实施方案中，利用使用一种或多种化学中间体的氧化还原(redox)系统以在CO₂捕集下转化碳质燃料。这后面是与电化学转化装置的战略性集成以产生电力。在其他实施方案中，水裂解系统与电化系统集成。通过工艺集成，工艺辅助动力消耗和/或水利用和用于产生蒸汽的能量被最小化。

包括原油、天然气和煤炭的化石燃料代表着全世界现今能量供应的大多数。然而，化石燃料的使用需要将它们转变成载体，诸如热、电力、液体燃料或通过化学转化过程转变为化学品。在日益增加的能量需要和对于来自化石燃料应用的碳排放的伴随担忧之下，广泛的工作已经调整向发展可持续的碳中性的、有效且经济的能量系统。从使用化石燃料到使用核和诸如太阳能和生物质的可再生资源的转换因此代表着这类工作的自然进展。

现有发电技术具有一个或多个以下局限性/缺点：1)高成本(例如，光伏、气化、超超临界粉煤燃烧)；2)低效率(例如，亚临界粉煤燃烧)；3)环境问题(例如，化石燃料发电站)；和4)安全问题(例如，核动力)。

关于常规热电站的常见问题之一在于在冷却和重新加热蒸汽期间的大量能量损失。因此需要使蒸汽产生的需求最小化的系统和方法。

在碳质燃料和空气/蒸汽/CO₂之间在反应介质辅助下的化学反应可代表使燃料转化过程中的能量损失最小化的有效方式。已经提出了许多技术来使用金属氧化物转化碳质燃料。例如，Watkins的美国专利3,027,238号描述了一种生产氢气的方法，其包括在还原区中还原金属氧化物和在氧化区中用蒸汽氧化还原了的金属以产生氢气。然而，该技术限于气态燃料转化。此外，该气态燃料仅通过金属氧化物部分转化。Thomas的美国专利7,767,191号、Fan的PCT申请WO 2007082089号和Fan的PCT申请WO 2010037011号描述了通过以下来生产氢气的方法：在基于碳的燃料和金属氧化物之间的还原反应中还原金属氧化物以提供具有较低氧化态的被还原的金属或金属氧化物，和氧化被还原的金属或金属氧化物以产生氢气和具有较高氧化态的金属氧化物。

氢气也可以经光电解、热解和热化学路径由水裂解产生。

为了产生电力，上述方法教导了氢气产物在燃气涡轮机、燃气发动机和/或燃料电池中的进一步转化。然而，大量蒸汽用于这些工艺中以便产生氢气。氢气在常规氢燃料发电装置中的简单转化将导致大量蒸汽/水的冷却和重新加热，产生发电系统的极大不可逆性。

在对电力的需要日益增加的情况下，这要求在效率较高和污染物较少的情况下产生电力的改进的方法、系统和在其中的系统组件。

本发明的实施方案通常涉及在基本零CO₂排放的情况下的高效发电方法和系统。形成了在产生气态燃料(H₂、CO等)的单元与燃料电池阳极侧之间的闭合回路。在某些实施方案中，对于气态燃料产生也利用来自燃料电池阴极侧的热和含氧排出气体。本文公开的系统的发电效率显著大于目前技术水平方法，这归因于气态燃料生产的最小化的蒸汽消耗、燃料电池阳极回路以及战略性质量和能量集成方案。

鉴于以下附图和详述将更全面地理解由本发明的实施方案提供的其它特征和优势。

当结合以下附图阅读时，可更好地理解本发明的说明性实施方案的以下详述，其中类似结构用类似参考数字表示且其中：

图1为根据一个实施方案在最小蒸汽消耗下产生电力的方法的一般示意图，其中燃料电池与重整或水裂解系统集成以使在该方法中的蒸汽产生需求最小化。

图2为用于在最小蒸汽需求下发电的燃料电池与基于氧化还原的重整/水裂解区块的集成的实施方案的一般示意图。

图3进一步说明基于铁氧化物的氧化还原的重整/水裂解区块和燃料电池系统的实施方案的集成。

图4为使用来源于诸如煤炭或生物质的固体燃料作为原料的合成气的基于铁氧化物的氧化还原方法的实施方案的示意图。

图5为使用固体燃料诸如煤炭、生物质和/或固体废物直接作为原料的基于铁氧化物的氧化还原方法的实施方案及其与燃料电池的集成的示意图。

图6为与燃料电池集成的基于钙的重整/水裂解区块的实施方案的示意图。

图7为用于发电的与燃料电池集成的膜强化的重整/水裂解区块的实施方案的示意图。

图8为使用太阳能或核热能的基于锌的水裂解区块的实施方案及其与使用太阳能或核能的燃料电池的集成的示意图。