可將碳質原料轉化成能量且無溫室氣體排放的方法和系統的製作方法
2023-10-19 23:54:57
專利名稱：可將碳質原料轉化成能量且無溫室氣體排放的方法和系統的製作方法
本申請要求美國臨時申請第60/064,692號，1997年11月7日提交的優先權。
本發明廣泛地涉及消除傳統的用煤，石油和天然氣的發電廠排放二氧化碳和其它溫室氣體的方法和系統。
人們還進行過廣泛的嘗試，通過採用先進的熱動力學複合循環，更高效的透平發電機，改進冷凝器和冷卻塔，以及類似系統，來提高發電廠的效率。這些嘗試中的一小部分涉及採用高效的礦物燃料氣化工藝，因為這種工藝防止了燃燒和大量燃燒產物的排放。最後，威斯汀豪斯(Westinghouse，Corporate liferafure，「Sure Cell」1996)等進行的一種嘗試，是將先進的高溫透平發電機和燃料電池結合使用，使電轉化率達到約70％，而目前傳統的發電廠只有約47％。
今天，大氣中二氧化碳和其它溫室氣體的增加，開始對地球對流層溫度、全球降雨的分布、水平衡、劇烈氣候風暴造成嚴重的環境後果以及類似的結果，這已成為世界性的擔心問題。從技術上解決這個問題成為全世界的需要。
在世界範圍內，由政府鼓勵的，不同機構提供資金的研究機構，繼續著力研究驗明商業上有吸引力的從煙氣中除去二氧化碳的氣體分離技術，以及利用二氧化碳作為原料生產有用產品的化學。事實上，這是很大的挑戰，進展很小，正如一些評述文獻所闡述的那樣，見Michele Aresta，and Eugenio Quaranta，「Carbon DioxideA Substitute for Phosgene」，Chem.Tech.pp.32-40，March 1997和Bette Hileman，「Industry Considers CO2Reduction Methods」，Chem. Engr.News，pg.30，June 30，1997。將CO2從煙氣中分出和使回收的CO2進行化學反應的嘗試，明顯不是正確的研究路線，因為使二氧化碳反應技術困難，過程費用太大。
該系統包括(a)氣化裝置，設有碳質原料和溫室氣體入口，以及用於將混合原料轉化成合成氣的催化劑或其它手段；(b)生產電能的燃料電池，包括第一半室，設有與合成氣流體連通的入口，和用於將合成氣電化學氧化生成第一半室排出氣體的第一手段或陽極；第二半室，設有用於將含氧氣體電化學還原的第二手段或陰極；還有一個隔離第一半室和第二半室的膜，使氣體組份不能從各自半室通過；和(c)使來自第一半室的二氧化碳通過，以作為進入氣化裝置的溫室氣體的至少一部分的通路。
該方法迴避了試圖從煙氣中除去和捕集二氧化碳的困難，並且沒有試圖使二氧化碳分別進行化學反應以期生產有用產品。本發明的方法和系統採用工業上通用的氣化技術並與燃料電池相結合，可以高效地生產電能。這是通過利用燃料電池的特異性能的優點而完成的，即利用燃料電池的陽極和陰極上的兩個反應用導電膜隔開以保持氣體產物不混的特點。按此方法，可燃燒的原料氣體在燃料電池第一半室中可被完全氧化，而且不與第二半室電極中的空氣最終產物，即N2混合。例如，在煤氣化時，生成主要由氫和一氧化碳組成的合成氣。此合成氣送入燃料電池，例如固體氧化物或熔融碳酸鹽型電池的第一半室，即陽極或負端子側，合成氣在此被氧化成水和二氧化碳。這些氣體不會被用於第二半室或另一半室，即燃料電池的陰極或正端子側的燃燒空氣中的通常的氮所稀釋。當在鍋爐或爐子中使用空氣燃燒時，氮和燃燒氣體混合。因此，合成氣在燃料電池中進行氧化，而不是與空氣燃燒，並且不會被其它氣體稀釋。在燃料電池中產生的水和二氧化碳通過冷凝液態水，可很容易地彼此分離，並使二氧化碳可返回到氣化裝置。二氧化碳進入高溫氣化裝置，經與高溫碳質原料反應，而生成更多的一氧化碳，如此反覆循環。
通過本方法和系統，燃料電池中的二氧化碳很容易與空氣和氮隔開。該二氧化碳幾乎可以以純淨的形態循環進入氣化裝置。同樣，水也以純淨形態進行再循環，其量按照氣化裝置控制的系統要求，以保持理想的氫和一氧化碳比，約1.75～約2.25。這有助於氣化裝置中保持高含氫量，使得氣化裝置產生的合成氣可用於下遊化學反應裝置，如費一託(Fische-Tropsch)反應系統，生產從甲醇到石臘等各種有用化學品。這些產品再用於生產例如石腦油、柴油、汽油等有用化學品。這樣，一氧化碳可用來生產有用的化學品，而不是以二氧化碳的形式丟棄有價值的碳源。裝置保持了碳平衡，這樣，裝置輸入的廢棄物料中的碳質量，與輸出的有價值的烴產品而非二氧化碳的碳質量相等。
這樣實現的是一座化學工廠與一發電廠的結合，它可以生產有用的烴產品和高效率的電能，而無任何二氧化碳或其它溫室氣體排放。還有，最重要的氣化裝置比煉油廠、燃煤鍋爐有更大的靈活性，因為它可以使用更多樣的廢棄物作為原料。解決了兩個重要的問題。
該方法可用於採用礦物燃料，如碳質原料，包括煤、烴油、天然氣、油頁巖和石油焦的發電廠，以及煉油廠和石油化工廠。其它碳質原料，如廢油、危害性廢物、醫院廢物或它們的混合物均可作為本發明氣化裝置的原料。
從以下說明和附圖中，本發明的優點對本領域技術人員來說是顯而易見的，其中圖1是本發明方法和系統的第一種實施方案的簡要流程圖；圖2是本發明方法和系統的第二種實施方案的簡要流程圖；圖3是本發明方法和系統的第三種實施方案的簡要流程圖。
發明詳述A.第一種實施方案，產生氫燃料電池能而不產生有害的溫室氣體的方法。
圖1說明了本發明方法和系統的一種特殊的實施方案，在該過程中碳質廢棄原料通過管線10進入內設催化劑床14的氣化爐12，並在約400℃～約600℃(750°F～1100°F)的高溫下轉化成合成氣。優選地，在氣化爐12中採用流化催化劑床。在氣化爐12中生成的合成氣通過管線18出爐，然後在下遊分成兩路流經管線20和22。流經管線20的合成氣從氣門28進入燃料電池26。第二路合成氣流經管線22去費一託催化反應器30。
本發明採用的氣化方法和裝置的一個實例是荷蘭阿姆斯特丹荷蘭殼牌公司(Royal Dutch Shell)氣化爐(見L.O.M.Koenders，S.A.Posthuma，andP.L.Zuideveld，「The Shell Gasification Process for Conversion of HeavyResidues to Hydrogen and Power」，in a paper presented at GasificationTechnologies Conference，San Francico，CA，Oct.2-4，1996)。另一實例是德士古氣化爐(見Corporate literature，「Texaco Gasification Process for SolidFeedstocks」，Texaco Depvolopment Corp.，White Plains，N.Y.and「GasificatonReliable，Efficient and Clean」，Texaco Global Gas and Power，White Plains，N.Y.)。這些文獻的有關部分作為參考結合在本發明詳述中。氣化技術另一實例是採用了美國專利NO.4,874,587所公開和要求保護的蒸汽重整反應器系統，亦作為參考結合在此發明詳述中。
對於通過管線10進入氣化爐12的石油焦原料，最適宜的操作條件是通過管線34輸入6％氧，通過管線36輸入12％CO2和通過管線38加入15％H2O。這樣的條件可使氣化爐12有足夠氧氣以保持其溫度非常接近約900℃(1700°F)，並且生成的合成氣包括約22％CO和約45％H2。這些條件隨原料的H/C比不同而稍有變化，但是合成氣H2/CO比的目標值為約1.75～約2.25，可以通過稍稍改變進入氣化爐12的O2、CO2和H2O的相對比例來控制。
在燃料電池26中，合成氣原料向上通過電介質40周圍和多孔催化陽極42，在此氣體進行電化學氧化反應。膜44是離子導電體，但它不會讓燃料電池26兩側的任何氣體或烴類通過。
可以接受合成氣並適宜用作本發明的燃料電池26的燃料電池實例包括固體氧化物燃料電池(由Westinghouse，Monroeville，Pennsylvania或Technical Management Inc.，Cleveland，Ohio製造)和熔融碳酸鹽燃料電池(由Energy Research Corp.，Danbury，Connecticut製造)。下面文獻的有關部分作為參考結合在本發明詳述中，這些參考文獻有C.M.Caruana，「FuelCells Poised to Provide Power」，Chem.Eng.Progr.，pp.11-21，September，1996和S.C.Singhal，「Advanced in Tubular Solid Oxide Fuel Cell Technology」，Proceedings of the 4th International Symposium on Solid Oxide Fuel Cells，Pennington，N.J.，Vol.95-1，pp.195-207(1995)。
主要含有氫和一氧化碳的合成氣被氧化後，離開燃料電池26的陽極42，其大部分成為水蒸汽和二氧化碳。這股被氧化的合成氣物流通過管線48進入空冷冷凝器50，在此水蒸汽被冷凝成液態水，並從冷凝器底部通過管線52排出回用。從城市汙水系統回收的廢水可用於氣化爐12。而管線52流出的全部或部分相當純的水可以出售或再循環，以及與廢水混合通過管線38送入氣化爐12。二氧化碳氣在冷凝器50中未被冷凝，通過冷凝器頂部和管線36以二氧化碳氣的形式進入氣化爐12。該二氧化碳在高溫氣化爐12中與爐內的碳質進料反應，生成更多的合成氣以便進一步參加總反應。CO2或其它溫室氣體可通過管線56進入氣化爐12，以保持希望的原料H/C比。
為了全面闡述圖1，還要提到燃料電池26的另一半室，它包括在陰極60上進行空氣還原。該標準空氣電極可以使通過管線64進入的含氧氣體，一般是空氣，由下而上通過空氣電解質66周圍和電極60。空氣流中的惰性組份，最主要是氮氣，通過陰極半室並通過排放氣流68排出。儘管成本可能更高，陰極半室也可以使用純氧代替空氣以求獲得更高效率和產生更多的熱量。該燃料電池產生的主要是電能，可達4～9kw/標準立方英尺氫氣/分鐘。
從管線22來的合成氣在費一託催化反應器30中，在催化劑70上反應生成高沸點烴，例如石蠟或其它有用烴產品，並通過管線76回收。這些石蠟，例如可以用作殼牌中等餾份合成(Shell Middle DistillatesSynthesis)過程的原料，在此通過反應可生成石腦油、燃料氣和煤油，這些均為有價值的化學產品(見J.Eilers，s.A.Posthuma，和S.T.Sie，「The ShellMiddle Distillate Synthesis Process(SMDS)」，Catalysis Letter，7，pp.253-270(1990))。該文獻的有關部分作為參考結合在本發明詳述中。
這樣，通過管線10作為原料通入的全部碳物質均以有用烴產品形態的碳物質通過管線76回收，這就避免了當烴原料氣化時排放的二氧化碳。而且不需要為從煙氣中回收二氧化碳而使用昂貴和麻煩的鹼洗塔，這是通常的燃燒/蒸氣透平發電廠的配置。B.第二種實施方案，產生太陽能一甲醇燃料電池能而不產生有害的溫室氣體的方法。
本發明的方法和系統可用於生產甲醇，通過循環二氧化碳和電化學反應製得的氫反應生成「平衡的」最適合於生產甲醇的合成氣。在該生產過程中，「平衡的」合成氣中適宜的H2/CO＝2.00。圖2所示實施方案中，使用太陽能再生燃料電池系統將太陽能生產的氫氣轉化成甲醇，這種甲醇儲存比較安全，用於燃料電池在夜間或陰天條件下生產電能。該第二種實施方案中還採用了旋轉式廢料進料器蒸氣重整系統，在該系統中過熱蒸氣和氫與有機廢料反應生成合成氣和輕烴。該氣體從旋轉進料器出來送入高溫蒸氣重整器中，反應後生成完全純淨的「平衡的」合成氣。
該第二種實施方案是對NASA提出的太陽能再生系統(G.E.Voecks，etal.Jet Propulsion Laboratory，Warshay，M.et al.NASA Lewis Research Center，Edwards，II.S.et al.，Navel Air Warfare Center，「Operation of the 25 kW NASALewis Research Center Solar Regenerative Fuel Cell Testbed Facility，」Paper#97295，International Energy Conversion Engineering conference，Proceedings，Vol.3，1999)的大改進。後一系統要求將氫氣儲存以備供給燃料電池。氫氣儲存在有人居住的建築物或居民區的隱蔽區域，從現在安全觀點出發是不能允許的。由一小型、自動化甲醇合成裝置生產的甲醇，是約50％的甲醇/水混合物。這種混合物具有理想的安全特性，它在室溫下，甚至有明火和過量空氣存在下均不易燃燒。這種50％甲醇混合物作為圖2所示燃料電池系統的進料也最為適宜。與第二種實施方案的燃料電池相匹配的是低溫重整器和選擇性氧化器。該燃料電池系統採用商品化的PEM膜電池，它已用於早期開發的燃料電池汽車(即Daimler-Benz等)和公共汽車(喬治敦大學)。單個電池可以以50或100kW大小購得。
圖2所示太陽能甲醇燃料電池系統是為東聖路易斯太陽住宅村(EastSt.Louis Solar Cluster Village)的示範裝置而設計的。該村將包括環繞娛樂中心而建的50套太陽能頂蓋的住宅，娛樂中心內還安置了甲醇合成裝置、甲醇儲存和生產電能的燃料電池。該村的全套系統形成一個能量幾乎可以自給自足的系統，包括太陽能和家庭垃圾廢物的利用。當不能使用太陽能時，儲存的甲醇驅動燃料電池生產住宅群和小型電解池所需的電能，該電解池用於生產甲醇合成裝置所需「平衡的」合成氣中的氫。多餘的甲醇可用於該太陽能村居民的甲醇燃料電池小汽車和公共汽車。本發明第二實施方案中的這種太陽能甲醇燃料電池系統可以用於沒有公共基礎設施的邊遠地區和發展中國家。
現在參見圖2流程，固體碳質廢料通過管線100送入旋轉式廢料進料器112中，將廢料轉化成氣體。該氣體從進料器112出來，通過管線114和泵116進入設有流化催化劑床122的高溫重整器120。廢料氣體在重整器120中，在約400℃～約700℃溫度下，轉化成「平衡的」合成氣。該平衡的合成氣從出口123通過管線124進入甲醇合成裝置130。部分合成氣通過管線136送入進料管線114，用以保持催化劑床的最低流化速率。從甲醇裝置130回收的甲醇通過管線142送入甲醇儲槽140。儲槽140中的甲醇經過管線154進入低溫蒸汽重整器150，轉化成合成氣。該合成氣經過管線156進入選擇性氧化催化劑熱交換器160反應，將CO轉換成CO2，CO2通過管線162循環回到進料管線114。而氫通過管線168，與目前可以買到的PEM燃料電池170的第一半室流動連通。第一半室的排出氣體大部分為水蒸汽，通過管線172再循環，與管線162的CO2一起送入進料管線114。電解池180利用燃料電池170產生的電能174和太陽能板190提供的能量，將水分解為氫和氧。氫通過管線182送至進料管線114，以保證可以生產「平衡的」合成氣並送入甲醇裝置130。電解池180生成的氧通過管線184進入燃料電池的第二半室，用作燃料電池陰極最適宜的含氧氣體，以生產電能174和熱能186。由PV(聚乙烯基)太陽能電池板190產生的熱能192與燃料電池170產生的熱能186結合，使第二種實施方案達到能量平衡。多餘的熱能186可以出售。儲槽150中多餘的甲醇經由管線194，可用作前述的燃料源。C.第三種實施方案，使用帶有循環的綜合氣化燃料電池而不產生有害溫室氣體的方法。
本發明方法和系統的第三種實施方案包括一個小型發電廠的較大規模的系統，使用煤和廢料的混合物作為原料。圖3所示實施方案中，採用高溫固體氧化物燃料電池(SOFC)，這種燃料電池可以接受氣化裝置或氣化爐生產的合成氣。燃料電池產生的CO2沒有明顯摻雜空氣，因之可以循環。
SOFC燃料電池與三級透平機組聯合循環體系，作為發電廠可以達到68％～74％的高效率。(見S.C.Singhal，「Advances in Tubular Solid OxideFuel Cell Technology」，Proceeding ofthe 4thInternational Symposium on SolidOxide Fuel Cell，Pennington，N.J.Vol.95-1，195-207(1995)；和W.I.Lundberg，「Solid Oxide Fuel Cell/Gas Turbine Power Plant Cycles and PerformanceEstimates」，Power-Gen International，96，Orlando，FL.(Dec.4-6，1996))。SOFC的空氣進料用一臺透平驅動壓縮機增壓，然後在回收SOFC廢熱的「熱回收裝置」中加熱。該加熱的空氣隨後進入透平機第二段進行膨脹發電。最後，氣化爐產生的部分蒸汽與SOFC產生的蒸汽一起推動蒸汽透平機的第三段。水冷凝器的目的是接受SOFC排出的含有CO2和水蒸汽的氣體，並將水分出，以製造蒸汽透平機使用的蒸汽，並回收CO2，循環用於氣化爐。雖然此水冷凝器僅象徵性地表示為一個很簡單的設備，但它有一個換熱器作為該裝置的一部分，以便有效地將水冷凝和將分離的水在其進入氣相「熱回收裝置」之前再沸，此「熱回收裝置」產生高溫蒸汽，送至蒸汽透平機。
蒸汽透平機是燃料電池整套設備的一個組成部分，由其排出的低壓蒸汽可以提供給與發電廠毗鄰的界區外用戶，如其生產需要的低溫熱能。該流程避免使用蒸汽羽狀排放的大型冷卻塔。這樣顯著節約了費用，並對環境有利。
圖2流程中設置了接受燃料電池輸出的電能的電解池，能使裝置進行負荷跟蹤，同時保持煤進料和蒸汽重整器在恆定通量的條件下操作。裝置電能輸出量可通過改變電解池用電量而改變，以生產和儲存過量的氫和氧。在用電高峰期間，可以將這些過量的氫輸入燃料電池，大大增加燃料電池的發電量。
在圖3所示的第三種實施方案中，固體碳質廢料以煤或固體廢料的形態，通過管線200進入溼式研磨機212，並與通過管線214加入的水或液體廢料混合，製成適宜密度的漿液。將此漿液從進料器212通過進料管線216送入兩段氣化爐220的第一段218的入口219。通過管線222通入氧氣與第一段218中的漿液混合。該漿液在氣化爐220的第二段224中，在約800℃～1600℃溫度下轉化成合成氣。副產物殘渣從第二段224底部通過管線226回收。合成氣從第二段224通過管線228去脫硫裝置230。二硫化碳副產物從裝置230底部通過管線232回收。從裝置230出來的基本上無硫的合成氣通過管線234進入SOFC燃料電池240的第一半室236。第一半室236排出的氣體主要含有水蒸汽和CO2，通過管線244去水冷凝器250。CO2通過管線252循環回到氣化爐220的第一段218。從燃料電池240回收的氮氣廢熱258被收集在熱回收裝置260中。從熱回收裝置出來的氮氣通過管線262放空。通過管線264供給燃料電池240第二半室266的空氣，經氣體透平機組272第一段壓縮機270增壓，並通過管線274經過熱回收裝置260。從熱回收裝置260出來的經加熱的空氣，經由管線282進入燃料電池240之前，先在透平機組272的第二段透平機280膨脹。管線284中的水，在氣化爐220中的廢熱再沸器286的第二段224轉化成蒸汽。來自冷凝器250的管線292中的冷凝水，在熱回收裝置260中轉化成蒸汽。管線294中來自氣化爐220第二段224的蒸汽，和管線296中來自熱回收裝置260的蒸汽，用作透平機組272第三段透平機290的動力。
另外，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，本領域的普通技術人員可以提出本發明方法和系統的各種其它實施方案和形式，以使其適應特定的用途和條件。這樣，這些改變和改進是合理的、正確的，並且是在下述權利要求等價物的範圍內。
權利要求
1.一種將碳質原料轉化為能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將碳質原料和溫室氣體流在氣化裝置中轉化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)上述氣化裝置出來的合成氣的至少一部分在燃料電池的第一半室中進行電化學氧化，生成含有二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(c)回收上述第一半室排出氣體中的二氧化碳，作為至少一部分(a)步的溫室氣體流；和(d)在上述燃料電池第二半室中進行含氧氣體的電化學還原反應，完成循環並生產出電能。
2.權利要求1的方法，其中(a)步所用碳質原料選自煤、烴油、天然氣、石油焦、油頁巖、廢油、有毒廢物、醫療廢物及其混合物。
3.權利要求1的方法，其中所述溫室氣體流是二氧化碳。
4.權利要求1的方法，用於生產電能的礦物燃料工廠。
5.權利要求1的方法，用於煉油廠。
6.權利要求1的方法，用於石油化工廠。
7.權利要求1的方法，其中所述氣化裝置內設流化催化劑床，並在約400℃～約700℃(750°F～1300°F)溫度下操作。
8.權利要求1的方法，其中來自所述氣化裝置的合成氣的一部分在化學反應器中轉化成有用的烴產品。
9.權利要求8的方法，其中所述化學反應器是費一託反應器。
10.權利要求9的方法，其中來自第一半室排出氣體的大部分水採用冷凝器進行冷凝。
11.權利要求10的方法，其中將氫和至少一部分冷凝水以一定量通入所述氣化裝置中，以調節混合的碳質原料和溫室氣體流的氫碳化，以生產費一託反應器所需的最佳比例的合成氣。
12.權利要求11的方法，其中所述合成氣的氫碳比為約1.75～約2.25。
13.權利要求9的方法，其中調節(a)步中的溫室氣體流量，以使進入所述氣化裝置的混合碳質原料和溫室氣體流的氫/一氧化碳比為約1.75～約2.25。
14.權利要求1的方法，其中(d)步的含氧氣體是空氣，在電還原過程中產生的氮排入大氣中。
15.權利要求1的方法，其中所述燃料電池的第一半室含有圍繞多孔的催化陽極的電解質。
16.權利要求15的方法，其中所述燃料電池的第二半室含有圍繞催化陰極的空氣電解質。
17.權利要求16的方法，其中所述燃料電池的第一和第二半室利用一個離子導電膜隔開，各半室內的組份不能通過該膜。
18.一種將碳質原料轉化為能量，且無有害溫室氣體排放的系統，包括(a)一氣化裝置，設有碳質原料和溫室氣體流入口，將混合原料轉化成包括一氧化碳和氫的合成氣的催化劑，和合成氣出口；(b)生產電能的燃料電池，包括第一半室，具有與合成氣流動連通的入口和用於將合成氣電化學氧化生成二氧化碳和水組成的第一半室排出氣體的另一手段；第二半室，具有用於將含氧氣體電化學還原的另二手段；以及隔離第一和第二半室的膜，各半室內的組份均不能通過它；和(c)二氧化碳的通路方式，該二氧化碳從第一半室出來，作為通入所述氣化裝置的溫室氣體流的至少一部分。
19.權利要求18的系統，其中(a)步所用碳質原料選自煤、烴油、天然氣、石油焦、油頁巖、廢油、有毒廢物、醫療廢物以及其混合物。
20.權利要求18的系統，其中溫室氣體流是二氧化碳。
21.權利要求18的系統，其中所述氣化裝置內設流化催化劑床，並在約400℃～約700℃溫度下操作。
22.權利要求18的系統，其中一化學反應器與所述氣化裝置流體連通，並將來自所述氣化裝置的合成氣轉化成有用烴產品。
23.權利要求22的系統，其中所述化學反應器是費一託反應器。
24.權利要求23的系統，其中使用冷凝器將來自所述第一半室排出氣體中的大部分水冷凝。
25.權利要求24的系統，其中將氫和至少一部分冷凝水以一定量通入所述氣化裝置中，以調節混合的碳質原料和溫室氣體流的氫碳比，以生產費一託反應器所需的最佳比例的合成氣。
26.權利要求25的系統，其中所述合成氣的氫碳比為約1.75～約2.25。
27.權利要求23的系統，其中調節(a)步中的溫室氣體流量，以使進入所述氣化裝置的混合碳質原料和溫室氣體流的氫/一氧化碳比為約1.75～約2.25。
28.權利要求18的系統，其中含氧氣體是空氣，而由離子還原形成的氮氣排入大氣。
29.權利要求18的系統，其中所述燃料電池第一半室含有圍繞多孔催化陽極的電解質。
30.權利要求29的系統，其中所述燃料電池的第二半室含有圍繞催化陰極的空氣電解質。
31.一種可將碳質原料轉化為能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將有機廢物原料與所述反應器中的二氧化碳氣體流在一高溫蒸汽重整反應器中轉化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)將來自上述反應器的合成氣的至少一部分轉化成甲醇；(c)將上述甲醇在燃料電池的第一半室中直接電化學氧化成包括二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(d)回收第一半室排出氣體中的二氧化碳，作為(a)步二氧化碳氣流的至少一部分；和(e)含氧氣體在所述燃料電池的第二半室中進行電化學還原，產生電能。
32.權利要求31的方法，其中所述燃料電池利用一種預轉化方法，將甲醇轉化為氫和二氧化碳，並將氫作為燃料電池第一半室的原料。
33.權利要求32的方法，其中所述轉化方法包括一個低溫蒸汽重整器和一個選擇性氧化器，並且其中來自所述選擇性氧化器的二氧化碳作為(a)步的二氧化碳氣流的一部分，而來自所述選擇性氧化器的氫在第一半室進行電化學氧化。
34.權利要求31的方法，其中所述電能供給裝有太陽能板的建築物在夜間和陰天條件下使用。
35.權利要求34的方法，其中電解池產生的氫用於生產甲醇合成所需平衡氣，所述電解池由所述電能提供電力。
36.權利要求35的方法，其中所述電解池產出的氧循環回到第二半室作為含氧氣體的至少一部分。
37.權利要求34的方法，其中所述有機廢物原料是城市垃圾。
38.一種可將碳質原料轉化為能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將有機廢物原料與所述反應器中的二氧化碳氣體流在一高溫蒸汽重整反應器中轉化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)將來自上述反應器的合成氣的至少一部分轉化成甲醇；(c)將上述甲醇在燃料電池的第一半室中直接電化學氧化成包括二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(d)回收第一半室排出氣體中的二氧化碳，作為(a)步二氧化碳氣流的至少一部分；和(e)含氧氣體在所述燃料電池的第二半室中進行電化學還原，產生電能。
39.權利要求38的方法，其中所述燃料電池利用一種預轉化方法，將甲醇轉化為氫和二氧化碳，並將氫作為燃料電池第一半室的原料。
40.權利要求39的方法，其中所述轉化方法包括一個低溫蒸汽重整器和一個選擇性氧化器，並且其中來自所述選擇性氧化器的二氧化碳作為(a)步的二氧化碳氣流的一部分，而來自所述選擇性氧化器的氫在第一半室進行電化學氧化。
41.權利要求38的方法，其中所述電能供給裝有太陽能板的建築物在夜間和陰天條件下使用。
42.權利要求41的方法，其中電解池產生的氫用於生產甲醇合成所需平衡氣，所述電解池由所述電能提供電力。
43.權利要求42的方法，其中所述電解池產出的氧循環回到第二半室作為含氧氣體的至少一部分。
44.權利要求41的方法，其中所述有機廢物原料是城市垃圾。
45.一種將碳質原料轉化成能量且無有害的溫室氣體排放的方法，包括(a)將碳質原料和二氧化碳氣流在氣化裝置中轉化成包括一氧化碳和氫的合成氣；(b)出自所述氣化裝置的合成氣的至少一部分，在固體氧化物燃料電池第一半室中進行電化學氧化，生成包括二氧化碳和水的第一半室排出氣體；(c)將所述半室排出氣體中的水在冷凝器中冷凝，並將大部分水從二氧化碳中分離出來；(d)出自冷凝器的二氧化碳用作所述(b)步溫室氣體的至少一部分；(e)回收所述第一半室排出氣體中的二氧化碳，用作所述(a)步二氧化碳氣流的至少一部分；和(f)含氧氣體在所述燃料電池第二半室中進行電化學還原，結果產生電能。
46.權利要求45的方法，其中所述原料選自與水或液體廢物混合的煤、油頁巖、固體廢物及其混合物。
47.權利要求45的方法，其中所述燃料電池發出的熱量用熱回收裝置回收。
48.權利要求47的方法，其中沸騰器的進水在所述氣化器中轉化成高壓蒸汽，用於驅動三級蒸汽透平機的第三段。
49.權利要求46的方法，其中含氧氣體在所述熱回收裝置中加熱，後經膨脹，用於驅動所述三級蒸汽透平機的第二段，並用於(f)步。
50.權利要求45的方法，其中出自所述氣化裝置的合成氣，在去所述燃料電池進行電化學氧化之前，在脫硫裝置中進行脫硫。
全文摘要
本發明的方法和系統將來自礦物燃料和其它可燃原料的碳質原料轉化成電能,且無有害的溫室氣體排放。該方法和系統使用氣化爐(112)和重整器(120)相結合的流程,將原料和溫室氣體轉化成包括一氧化碳和氫氣的合成氣。合成氣的一部分在產生電能的燃料電池(120)中經電化學氧化生成二氧化碳和水組成的排放氣體,將其分離後,二氧化碳循環回到氣化爐。另一部分,從氣化爐出來的合成氣轉化成有用的烴產品。
文檔編號H01M8/04GK1329761SQ99813930
公開日2002年1月2日 申請日期1999年11月1日 優先權日1998年11月5日
發明者特裡·R·加洛韋 申請人:特裡·R·加洛韋