專利名稱：混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置及其中太陽能重整器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及動力發(fā)生系統(tǒng)，并且更具體而言，涉及混合式太陽能動力發(fā)生系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
集中太陽能(CSP)目前被認(rèn)為是大規(guī)模地用太陽能發(fā)電的最經(jīng)濟(jì)和高效的方式。但是，除了太陽能收集系統(tǒng)的投資費(fèi)用高之外，仍然存在限制對大規(guī)模的動力發(fā)生廣泛地采用CSP技術(shù)的顯著的挑戰(zhàn)。關(guān)于當(dāng)前建立太陽能動力裝置的一個這種挑戰(zhàn)是由于太陽能的間歇性質(zhì)而導(dǎo)致的生產(chǎn)容量因數(shù)低。太陽能的這個間歇性質(zhì)會導(dǎo)致CSP裝置成本高，因?yàn)檎羝啓C(jī)循環(huán)系統(tǒng)在多達(dá)75%的時間是空閑的。動力島的低利用率會導(dǎo)致動力系統(tǒng)有非
常低的投資回報，以及因此，不利地影響CSP裝置的經(jīng)濟(jì)效果。關(guān)于當(dāng)前建立太陽能動力裝置的另一個挑戰(zhàn)在于，將大量可再生的動力添加到電網(wǎng)中往往會需要添加基于天然氣的備用容量或儲備容量，以便彌補(bǔ)可再生的能量的間歇性質(zhì)，以及對電網(wǎng)提供穩(wěn)定性。從電網(wǎng)運(yùn)營商和消費(fèi)者的角度看，由于對電網(wǎng)添加較多可再生的動力，所以在容量上的這個冗余性是電的高成本的另一個隱性原因。這樣的儲備動力裝置典型地以低容量因數(shù)運(yùn)行，并且僅使用簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)具有較低的效率，以及因此，與聯(lián)合循環(huán)(CC)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGT)裝置相比，對于每MWh會放出更多C02。為了規(guī)避集中太陽能的低容量因數(shù)，已經(jīng)提出和在小規(guī)模上展現(xiàn)了基于熔鹽的熱存儲技術(shù)；但是，由于使用間接的熱傳遞和蒸汽輪機(jī)循環(huán)的原因，在大規(guī)模地使用之前，這些系統(tǒng)需要額外的技術(shù)發(fā)展來克服高的初始投資成本和低的熱效率。關(guān)于太陽能重整器，已經(jīng)嘗試了用于小規(guī)模的太陽能重整的設(shè)計，該設(shè)計旨在通過高溫度蒸汽甲烷重整來生產(chǎn)氫。雖然對小規(guī)模的應(yīng)用來說可能是可接受的，但是此設(shè)計不適于動力發(fā)生情形，因?yàn)樘柲軣峒訜嵯到y(tǒng)的成本高且水的消耗高。因此，提供一種修正與大規(guī)模的集中太陽能動力發(fā)生有關(guān)的以上問題的改進(jìn)的混合式太陽能動力發(fā)生系統(tǒng)將是合乎需要的。

發(fā)明內(nèi)容
簡要而言，本發(fā)明的一方面在于一種電功率發(fā)生系統(tǒng)，其包括包括太陽能場和蒸汽發(fā)生器的集中太陽能裝置(CSP);太陽能重整器；以及用于發(fā)電的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGT)動力裝置。太陽能重整器構(gòu)造成接收來自太陽能場的太陽能和作為輸入反應(yīng)劑流的烴流體。太陽能重整器通過重整動作來將太陽能和輸入反應(yīng)劑流轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能，以形成重整燃料。聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGT)動力裝置構(gòu)造成接收烴流體和來自太陽能重整器的重整燃料，以及放出燃燒排氣。聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置構(gòu)造成能夠響應(yīng)于通往太陽能重整器的太陽能的可用性而基于烴流體和重整燃料中的至少一個來運(yùn)行。蒸汽發(fā)生器構(gòu)造成接收從聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置中放出的熱排氣，以進(jìn)行發(fā)電。本發(fā)明的另一方面在于一種產(chǎn)生電功率的方法，其包括控制聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的燃燒室和太陽能重整器之間的烴流體流；在太陽能重整器中通過經(jīng)由重整動作將太陽能和烴流體轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能來重整烴流體，以形成重整燃料；將重整燃料供應(yīng)給聯(lián)合循環(huán)動力裝置；以及將熱排氣供應(yīng)給蒸汽發(fā)生器。太陽能重整器構(gòu)造成接收來自太陽能場的太陽能以及烴流體。聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置構(gòu)造成接收烴流體和來自太陽能重整器的重整燃料中的一個，以及放出熱排氣。蒸汽發(fā)生器構(gòu)造成接收從聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置中放出的熱排氣，以及進(jìn)行發(fā)電。聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置構(gòu)造成能夠響應(yīng)于通往太陽能重整器的太陽能的可用性而基于烴流體和重整燃料中的至少一個來運(yùn)行。本發(fā)明的又一個方面在于一種太陽能重整器，其構(gòu)造成接收來自太陽能場的太陽能和作為輸入反應(yīng)劑流的烴流體，其中，太陽能重整器通過重整動作來將太陽能和輸入反應(yīng)劑流轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能，以形成重整燃料。太陽能重整器包括錐形開口，其構(gòu)造成通過石英窗而集中接收太陽能，以及將太陽能集中到重整室中；設(shè)置在重整室中的重整催化齊IJ;以及與反應(yīng)室處于流體連通的同軸的管中管式管道，其構(gòu)造成提供用于輸入反應(yīng)劑流的入口和用于重整燃料的出口。太陽能重整器運(yùn)行來在存在太陽能時對聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī) 動力裝置提供動力。在審閱結(jié)合若干幅圖和所述權(quán)利要求而得到的以下詳細(xì)描述之后，本申請的這些和其它特征與改進(jìn)將對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員變得顯而易見。


當(dāng)參照附圖來閱讀以下詳細(xì)描述時，本發(fā)明的上述和其它特征、方面與優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同符號在所有圖中表示相同部件，其中圖I是根據(jù)一個實(shí)施例的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置的示意圖；圖2是示出了根據(jù)一個實(shí)施例的、運(yùn)行混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置的方法的流程圖；圖3在等距視圖中示意性地描繪了根據(jù)另一個實(shí)施例的、用于混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置中的太陽能重整器；圖4在等距視圖中示意性地描繪了根據(jù)另一個實(shí)施例的、用于混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置中的太陽能重整器；圖5在曲線圖中示出了根據(jù)一個實(shí)施例的、在典型的一天期間在動力發(fā)生系統(tǒng)上的總負(fù)荷的由太陽能提供動力的部分；以及圖6在曲線圖中相對于總動力效率示出了根據(jù)一個實(shí)施例的混合式太陽能聯(lián)合循環(huán)效率。部件列表10 混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)12 CSP 裝置13 太陽能場14 聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置15 蒸汽發(fā)生器16 太陽能重整器19 多個燃?xì)廨啓C(jī)
22烴流體24太陽熱能26重整燃料28燃燒室30控制閥32排氣(來自14) 34熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)36多個蒸汽輪機(jī)40方法41-45方法步驟50直接加熱式太陽能重整器52重整催化劑塊54重整器室56英窗58錐形開口60可選的反射涂層6158 的表面62太陽輻射63輸入反應(yīng)劑流64同軸的管中管式管道68外部管70重整器產(chǎn)物71重整燃料72內(nèi)部管74上部部分76下部部分7852 的底面80回流管8280 中的開口84空氣噴射端口100間接加熱太陽能重整器104重整器室106英窗108錐形開口110反射涂層111表面112太陽輻射114同軸的管中管式管道116輸入反應(yīng)劑流
118外部管120重整器產(chǎn)物122重整燃料124內(nèi)部管126SMR 反應(yīng)管128重整催化劑130下部部分
具體實(shí)施方式

如下面詳細(xì)論述的那樣，本發(fā)明的實(shí)施例用來為利用太陽能和天然氣的動力發(fā)生裝置中的發(fā)電提供高效的手段。公開的是基于太陽能重整技術(shù)的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置概念，太陽能重整技術(shù)將使得能夠整合集中太陽能動力裝置和天然氣聯(lián)合循環(huán)裝置，從而產(chǎn)生修正與大規(guī)模的集中太陽能動力發(fā)生有關(guān)的已知問題的混合系統(tǒng)。在重整反應(yīng)期間，太陽能可存儲在重整燃料中，并且通過燃?xì)廨啓C(jī)燃燒反應(yīng)而進(jìn)行釋放。取決于可用的太陽熱能，被引導(dǎo)到聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置中的燃料可在天然氣和重整燃料之間交替。當(dāng)太陽熱能充裕時，該系統(tǒng)將能夠基于被引導(dǎo)到聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置中的重整燃料流來運(yùn)行。當(dāng)太陽熱能不可用時，該系統(tǒng)將能夠基于直接進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置中的標(biāo)準(zhǔn)燃料流來運(yùn)行。這個雙重運(yùn)行模式提供穩(wěn)定且合乎需要的動力輸出，減少化石燃料消耗，減少CO2排放，并且導(dǎo)致動力發(fā)生裝置的總效率較高?，F(xiàn)在轉(zhuǎn)到附圖，圖I中示出的是根據(jù)本公開的、用于產(chǎn)生機(jī)械動力和/或電功率的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)(CSCC)動力系統(tǒng)的一個優(yōu)選實(shí)施例。更具體而言，示出的是混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，其大體參照為10，其由CSP裝置12中的太陽能場13和蒸汽發(fā)生器15以及聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14組成。將兩個動力裝置系統(tǒng)12和14聯(lián)結(jié)在一起的關(guān)鍵技術(shù)是太陽能重整器16，其中，太陽能和烴流體通過重整反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能，以形成重整燃料。太陽能重整器16允許太陽能行進(jìn)通過非常高效的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置，以及更具體而言，通過聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14的燃燒室28和多個燃?xì)廨啓C(jī)19，這導(dǎo)致太陽能高效率地轉(zhuǎn)化成動力。聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14可容易地在雙重燃料之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，即或者重整燃料或者烴流體，或者重整燃料和烴流體的混合物，這取決于陽光的可用性。這個雙重燃料系統(tǒng)的最終結(jié)果是有利用率高的動力島和通往排氣煙 20的穩(wěn)定的動力輸出，從而消除對任何儲備容量的需要。應(yīng)當(dāng)理解，雖然本文公開的是使用烴流體，以及更具體而言，在一個優(yōu)選實(shí)施例中使用天然氣，但是，本公開預(yù)見了備選烴流體，例如甲烷、生物氣或其它適當(dāng)?shù)牟牧?，例如液體石油氣(LPG)等。在提出的混合式CSCC系統(tǒng)10的典型的白天運(yùn)行期間，諸如天然氣的烴流體22被發(fā)送到太陽能重整器16中，其中，由CSP裝置12提供的太陽熱能24被鏡系統(tǒng)(目前描述的)集中。集中太陽熱能24在太陽能重整器16內(nèi)產(chǎn)生超過500°C的高溫，并且被用來在太陽能重整器16內(nèi)驅(qū)動下面顯示的甲烷重整反應(yīng)CH4+H20+ (太陽熱)一C0+3H2在需要較高的天然氣(NG)轉(zhuǎn)化時，或者在水消耗是主要限制時，可使用基于局部氧化的太陽能重整設(shè)計。在這個構(gòu)造中，集中太陽熱能24會在太陽能重整器16內(nèi)產(chǎn)生超過500°C的高溫，其中，使用少量空氣或含氧氣體來部分地氧化烴燃料的一部分，以及更具體而言，氧化天然氣燃料。預(yù)見到，由于有太陽能補(bǔ)充，可需要僅少量的氧，響應(yīng)于可用性，這減少了對氧的需要。來自局部氧化反應(yīng)的放熱熱將幫助使重整氣體的溫度提高到超過800°C，其中可實(shí)現(xiàn)天然氣的高轉(zhuǎn)化。氧的存在還可有效地抑制焦炭(目前描述的)的形成，這會顯著地減少在重整反應(yīng)中對過量的水的需要。在這個構(gòu)造中，使用太陽熱能24來在太陽能重整器16內(nèi)驅(qū)動下面顯示的甲烷重整反應(yīng)4CH4+02+2H20 — 10H2+4C0重整器16內(nèi)的吸熱反應(yīng)會吸收太陽熱能24，并且將太陽熱能24轉(zhuǎn)化成產(chǎn)物氣體中的化學(xué)能，從而形成重整燃料26。然后重整燃料26在聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14的燃燒室28內(nèi)燃燒，從而釋放在原來的供應(yīng)烴流體22中的化學(xué)能，加上在重整反應(yīng)期間吸收的太陽熱能24。在混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置10中，聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14從排氣32中產(chǎn)生動力，以及更具體而言，從由重整燃料26和空氣在燃燒室28內(nèi)燃燒所產(chǎn)生的熱中產(chǎn)生動力。來自聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14的、通常處于超過1000° F的溫度的排氣32接下來被發(fā)送到熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG) 34，其中，排氣32中的熱能進(jìn)一步被回收，以產(chǎn)生過熱蒸汽，以及在蒸汽循環(huán)中產(chǎn)生動力。更具體 而言，由于被引入到多個蒸汽輪機(jī)36中的蒸汽的產(chǎn)生，來自排氣32的熱再次被用來產(chǎn)生額外的動力。在另一個實(shí)施例中，來自聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14的、含有CO2和O2的排氣32可再循環(huán)回到太陽能重整器16的重整室和/或燃燒室28。在重整器16中，再循環(huán)排氣32可用于重整工藝，其中，NG在放熱反應(yīng)中與O2反應(yīng)，而且CO2通過吸熱反應(yīng)而與NG進(jìn)行下面顯示的反應(yīng)CH4+C02+ (太陽熱)—2C0+2H2這些反應(yīng)的程度將由O2和CO2的相對濃度確定。通過上面的反應(yīng)而形成CO會幫助改進(jìn)工藝的操作性和效率。在燃燒室28中，再循環(huán)排氣32將充當(dāng)可減少NOx和提高在排氣32中CO2的濃度的稀釋劑。在又一個實(shí)施例中，CO2流可與渦輪排氣32分離，并且再循環(huán)回到重整器16。此構(gòu)造通過促進(jìn)下面顯示的反應(yīng)而幫助實(shí)現(xiàn)額外的蒸汽減少CH4+C02+(太陽熱)一2C0+2H2使用空氣噴射、渦輪排氣再循環(huán)、CO2再循環(huán)或這三個的組合可幫助減少重整器蒸汽消耗，防止焦炭的形成，提高太陽能利用率，改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)排放性能，以及潛在地導(dǎo)致在渦輪排氣32中CO2的濃度提高，從而使在燃燒之后進(jìn)行碳捕捉較可行。取決于白天期間陽光的強(qiáng)度，裝置操作員可將通過控制閥30等將進(jìn)入到太陽能重整器16中的烴流體22 (天然氣)的量從全旁通模式調(diào)節(jié)成完全重整模式，以便控制通往聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置14的燃燒器28的烴流體22的流，從而最大程度地提高裝置動力輸出和效率，同時滿足電網(wǎng)約定。在太陽能重整器16擴(kuò)大的情況下，CSCC裝置可基本最大程度地減少對烴流體的使用，以及更具體而言，最大程度地減少在白天運(yùn)行期間的天然氣消耗，同時仍然使裝置動力輸出保持其全容量。這個天然氣消耗的節(jié)約表示電網(wǎng)的化石燃料消耗和CO2排放有顯著的減少。應(yīng)當(dāng)注意，本文描述的CSCC裝置可包括標(biāo)準(zhǔn)的動力裝置設(shè)備，例如給水加熱器、蒸汽發(fā)生器裝備、蒸汽發(fā)生器、泵等。如所描述的那樣，系統(tǒng)10能夠使用重整燃料或烴流體(例如天然氣燃料)來運(yùn)行。圖2是示出了運(yùn)行圖I的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置的方法40的流程圖。如之前描述的那樣，因?yàn)槁?lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置能夠在輸入烴流體和重整燃料6之間運(yùn)行，所以作出關(guān)于是否有足夠的太陽能能夠用來在太陽能重整器中重整烴流體流的初始確定41。在確定41之后，在聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的燃燒室和太陽能重整器之間調(diào)節(jié)42烴流體流。如果存在足夠的太陽能，則流被引導(dǎo)向太陽能重整器，并且在其中發(fā)生烴流體的重整43，以形成重整燃料。如果不存在足夠的太陽能，則流被引導(dǎo)向聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的燃燒室。重整燃料或烴流體接下來被供應(yīng)44到聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的燃燒室，以發(fā)電和產(chǎn)生燃燒排氣。最后，燃燒排氣被供應(yīng)45到蒸汽發(fā)生器，以產(chǎn)生額外的電?，F(xiàn)在參照圖3和4，示出了用于在圖I的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置中使用的備選太陽能重整器設(shè)計。公開的太陽能重整器設(shè)計提供加強(qiáng)的能量和質(zhì)量傳遞，這會轉(zhuǎn)變成較高的太陽能利用效率和較低的蒸汽需求。在其中水資源不足或期望有高溫重整 (即800°C)的區(qū)域中，所提出的太陽能重整器的特征還在于局部氧化設(shè)計，其中，少量空氣可被引入到反應(yīng)器中，以防止焦炭的形成，以及提供放熱熱來提高重整反應(yīng)動力學(xué)。太陽能和局部氧化反應(yīng)的聯(lián)合使用會產(chǎn)生在根本上不同于已建立的工藝(例如催化局部氧化(CPO)、自熱重整(ATR)和蒸汽甲烷重整(SMR))的全新類別的天然氣重整工藝。更具體參照圖3，在等距視圖中示出了用于在混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置中使用的太陽能重整器設(shè)計，其大體類似于圖I的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置10。更具體而言，圖3中示出的是根據(jù)一個實(shí)施例的直接加熱式太陽能重整器50。直接加熱式太陽能重整器50包括重整催化劑塊52，重整催化劑塊52密閉在重整器室54內(nèi)，重整器室54具有形成為其一部分的石英窗56。包括在石英窗56的外部的是錐形開口 58，錐形開口 58具有形成于表面61上的可選的反射涂層60,以通過石英窗56將太陽福射62引導(dǎo)向重整器室54的內(nèi)部。在重整器室54的大體相對的部分上有同軸的管中管式管道64，其具有便于類似于圖I的烴流體22的輸入反應(yīng)劑流63流過的內(nèi)部。在這個特定的實(shí)施例中，輸入反應(yīng)劑流63由天然氣和蒸汽組成。輸入反應(yīng)劑流63通過同軸的管中管式管道64的外部管68而向下流到重整器50中，以及更具體而言，向下流到重整器室54中。重整器產(chǎn)物70或大體類似于圖I的重整燃料26的熱的重整燃料71通過同軸的管中管式管道64內(nèi)部管72流出重整器50，以及更具體而言，流出重整器室54。重整器產(chǎn)物70的這個方向流對輸入冷反應(yīng)劑提供預(yù)熱，以及更具體而言，在其流出重整器50的同時，對輸入反應(yīng)劑流63提供預(yù)熱。在重整器50的運(yùn)行期間，經(jīng)預(yù)熱的輸入反應(yīng)劑流63進(jìn)入重整器50，并且散布在反應(yīng)器室54的上部部分74中。輸入反應(yīng)劑流63接下來傳送通過重整催化劑塊52，并且在其流向反應(yīng)器室54的下部部分76時經(jīng)歷甲烷重整反應(yīng)。集中太陽輻射62傳送通過石英窗56，并且將重整催化劑塊52的底面78加熱到超過500°C 800°C。在這點(diǎn)上，非?？焖俚爻霈F(xiàn)重整動力學(xué)，并且甲烷轉(zhuǎn)化迅速達(dá)到平衡。估計在690°C處，大約20% -30%的甲烷將轉(zhuǎn)化成CO和H2。然后重整燃料71進(jìn)入多個回流管80，該多個回流管80具有定位在重整催化劑塊52的底面78處的多個開口 82。在重整燃料71在那多個回流管80中向上流動時，包含在其中的熱的氣體被在周圍的重整催化劑塊52中向下流動的輸入反應(yīng)劑流63冷卻，從而實(shí)現(xiàn)另一個水平的熱回收和改進(jìn)的效率。傳統(tǒng)的太陽能熱重整器僅可達(dá)到大約550°C的溫度，這比理想的甲烷重整溫度低2000C -300°C。將氧添加到太陽能重整器50中將幫助提高反應(yīng)溫度，以有高的甲烷轉(zhuǎn)化。在典型的蒸汽甲烷重整(SMR)工藝中，在大約700°C-大約1000°C的范圍中的溫度下，以及在存在金屬基(例如鎳)催化劑的情況下，執(zhí)行該工藝。重整器通常在天然氣爐中被間接地加熱。這種類型的SMR工藝的效率典型地為65%至75%。再次參照圖I，在所提出的混合式CSCC系統(tǒng)10的優(yōu)選實(shí)施例中，CSP溫度為大約500°C 大約650°C，甲烷在太陽能重整器16中的轉(zhuǎn)化為大致20% 50%。這是可接受的 轉(zhuǎn)化。與其中目標(biāo)是最大程度地提高氫產(chǎn)量的氫裝置相反，太陽能重整器16的目的是將太陽能裝到重整燃料26中。如之前陳述的那樣，在其中需要較高的天然氣轉(zhuǎn)化或水消耗是主要限制的情況下，可使用太陽能重整器16內(nèi)的局部氧化(目前描述的)。可在重整器室54的內(nèi)部可選地形成多個噴射端口 84，以提供用于含氧氣體的入口。已知在重整器50中以及更具體而言在重整器室54內(nèi)存在氧會對焦炭的形成有抑制作用，這會產(chǎn)生多個好處。將小百分比的氧(< 5% )噴射到太陽能重整器50中的好處之一是防止焦炭沉積在石英窗56上，這會以別的方式阻擋太陽輻射62。已知氧會抑制焦炭的形成，而且將取消或最大程度地減少在太陽能重整器50中對蒸汽的需要。在典型的蒸汽甲烷重整器(SMR)中，需要超過2. 5的蒸汽-碳比。在將氧噴射到太陽能重整器50中的情況下，需要小于I的蒸汽-碳比。在太陽能重整器50中的蒸汽需求減少會導(dǎo)致水消耗顯著地減少，從而使工藝適于其中水資源不足的區(qū)域。另外，通過升高反應(yīng)器室50的溫度，局部氧化反應(yīng)的放熱熱將幫助提高重整反應(yīng)動力學(xué)?，F(xiàn)在參照圖4，在等距視圖中示出了用于在大體類似于圖I的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置10的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置中使用的另一個太陽能重整器設(shè)計。更具體而言，在圖4中示出的是根據(jù)一個實(shí)施例的間接加熱式太陽能重整器100。間接加熱式太陽能重整器100包括重整器室104，重整器室104具有形成為其一部分的石英窗106。包括在石英窗106的外部的是錐形開口 108，錐形開口 108具有形成于表面111上的可選的反射涂層110，以通過石英窗106將太陽輻射112引導(dǎo)向重整器室104的內(nèi)部。在重整器室104的大體相對的部分上是同軸的管中管式管道114，其具有便于諸如圖I的烴流體22的輸入反應(yīng)劑流116流過的內(nèi)部。在這個特定的實(shí)施例中，輸入反應(yīng)劑是天然氣和蒸汽。輸入反應(yīng)劑流116或烴流體22通過同軸的管中管式管道114的外部管118而向下流到重整器50中，以及更具體而言向下流到重整器室54中。重整器產(chǎn)物120或熱的重整燃料122產(chǎn)物通過同軸的管中管式管道114的內(nèi)部管124而流出重整器100，以及更具體而言流出重整器室104。類似于圖3的重整器50，重整器產(chǎn)物120的這個方向流對輸入反應(yīng)劑提供預(yù)熱，以及更具體而言，在其流出重整器100的同時，以逆流的方式對輸入反應(yīng)劑流116提供預(yù)熱。如上面詳細(xì)說明的那樣，可包括通過多個空氣端口(未顯示)噴射少量空氣，以有提聞的重整器性能。間接加熱式太陽能重整器100的整體設(shè)計類似于圖3中示出的直接加熱式太陽能重整器，只是間接加熱式設(shè)計中的輸入反應(yīng)劑流116將不會接觸重整器石英窗106。與圖3的直接加熱式太陽能重整器50相反，在間接加熱式太陽能重整器100中，太陽輻射112熱首先被多個SMR反應(yīng)管126吸收，并且通過熱傳導(dǎo)而傳遞到反應(yīng)管126的內(nèi)部，以支持天然氣重整反應(yīng)。重整催化劑128設(shè)置在該多個反應(yīng)管126中的各個的內(nèi)部。此設(shè)計消除了石英窗106的阻擋的問題。由于傳導(dǎo)性熱傳遞的原因，在反應(yīng)管126的內(nèi)部的SMR反應(yīng)溫度將為大約400°C -大約500°C，這基本低于之前描述的直接加熱式方法(600°C -800°C )。類似于圖3 的之前的直接加熱式設(shè)計中的氧或空氣噴射，可結(jié)合間接加熱室100中的低水平的氧噴射，以提高重整器性能，以及通過重整反應(yīng)來保持合適水平的太陽能吸收。在重整器100的運(yùn)行期間，經(jīng)預(yù)熱的輸入反應(yīng)劑流116通過該多個反應(yīng)管126而進(jìn)入重整器100。輸入反應(yīng)劑116在傳送通過重整催化劑128的該多個反應(yīng)管126中的各個內(nèi)流動，并且在其流向重整器室104的下部部分130時經(jīng)受甲烷重整反應(yīng)。集中太陽輻射112傳送通過石英窗156,并且通過熱傳導(dǎo)而加熱該多個反應(yīng)管126,以支持重整反應(yīng)。重整燃料混合物122在該多個反應(yīng)管126中向上流動，并且包含在其中的熱的氣體被在周圍的反應(yīng)管126中向下流動的輸入反應(yīng)劑流116冷卻，從而實(shí)現(xiàn)另一個水平的熱回收和改進(jìn)的效率。應(yīng)當(dāng)注意，直接加熱式重整器工藝和間接加熱式重整器工藝不同于傳統(tǒng)的催化局部氧化工藝，傳統(tǒng)的催化局部氧化工藝依賴于大量的氧(0/C> 1)，并且導(dǎo)致有明顯降低的能量效率。考慮到在典型的太陽能充足的區(qū)域中水供應(yīng)有限，針對催化劑52和128，將選擇容忍低的蒸汽/碳(S/C O. 5)運(yùn)行的SMR催化劑。另外，本文描述的太陽能重整器設(shè)計的特征在于新穎的催化劑再生工藝，其也在重整器50、100的啟動期間用作預(yù)熱程序。在無法通過摻氧而達(dá)到的太陽能重整器50、100的一些區(qū)域中，焦炭可形成于重整催化劑52、128的表面上?？稍谥卣?0、100啟動之前使用空氣噴射，以燒盡焦炭和在可利用焦炭燒盡期間釋放的能量來對重整器50、100進(jìn)行初始加熱?？赏ㄟ^在將反應(yīng)劑燃料流63、116引入到重整器50、100中之前以相反的方向噴射空氣來實(shí)現(xiàn)空氣噴射。對于熄火而言，這種預(yù)熱可降低反應(yīng)劑燃料流63、116的預(yù)熱要求。一旦啟動了催化局部氧化(CPO)反應(yīng)，它將通過輻射來提供預(yù)熱反應(yīng)劑燃料流63、116所需的必要的熱。這種技術(shù)將顯著地減少重整器50、100所需的啟動時間，而且由于太陽的有限的可用性的原因，這種技術(shù)是合乎需要的。在另一個實(shí)施例中，可在催化劑52、128的入口處插入小型電加熱器(未顯示)，以在熄火之前提高反應(yīng)劑燃料流63、116的溫度?，F(xiàn)在參照圖5，在曲線圖中相對于一天時間154示出了在典型的一天期間，在動力發(fā)生系統(tǒng)(例如系統(tǒng)10)上的總負(fù)荷的由太陽能提供動力的部分150和由烴流體提供動力的部分152。隨著日照時間增加，如通過一天時間154所注意到的那樣，由太陽能提供動力的部分150隨著總動力負(fù)荷的百分比的增加而增加，而由烴流體提供動力的部分152則隨著總動力負(fù)荷的百分比的增加而減小。因此，在太陽能充裕的條件期間，可利用太陽能重整來減少總的烴流體消耗，從而提供較高效的系統(tǒng)?，F(xiàn)在參照圖6，在曲線圖中示出的是相對于總的動力效率對圖I的混合式太陽能聯(lián)合循環(huán)10的效率的估計。更具體而言，相對于總的系統(tǒng)效率162示出了太陽能動力效率160。如所指示的那樣，隨著通往太陽能重整器的烴燃料百分比以及對太陽能重整器的使用的增加，太陽能動力效率160提高。同樣，在對太陽能重整器的使用繼續(xù)增加時，太陽能動力效率160得到保持，同時總的系統(tǒng)效率162提高。系統(tǒng)建模計算證實(shí)了高的太陽能-動力效率的主張，實(shí)現(xiàn)了 30% 36%的太陽能-電效率。由于太陽能增加，聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高達(dá)4%的總化石燃料HHV效率增益(從50%至 54% )。通過經(jīng)由太陽能重整反應(yīng)將太陽能裝到烴燃料中，以及引導(dǎo)烴燃料通過聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGT)，能夠以超過30%的太陽能-電的效率實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)。混合集中太陽能和CCGT是將大量太陽能引入到動力發(fā)生系統(tǒng)中而不損害電網(wǎng)穩(wěn)定性的高效方式。期望這個技術(shù)將促進(jìn)迅速地采用較高的可再生的項目組合(portfolio)標(biāo)準(zhǔn)，以及減少動力裝置化石燃料消耗和CO2排放。
雖然在本文示出和描述了本發(fā)明的僅某些特征，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到許多改良和改變。因此，將理解，所附權(quán)利要求意圖覆蓋落在本文的真實(shí)精神內(nèi)的所有這樣的改良和改變。
權(quán)利要求
1.一種電功率發(fā)生系統(tǒng)(10),包括 包括太陽能場(13)和蒸汽發(fā)生器(15)的集中太陽能裝置(CSP) (12)； 太陽能重整器(16，50，100)，其構(gòu)造成接收來自所述太陽能場(13)的太陽能(24，62，112)和作為輸入反應(yīng)劑流(63，116)的烴流體(22)，其中，所述太陽能重整器(16，50，100)通過重整動作將所述太陽能(24，62，112)和所述輸入反應(yīng)劑流￠3,116)轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能，以形成重整燃料(26，71，122)； 用于發(fā)電的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGT)動力裝置(14)，所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)構(gòu)造成接收烴流體(22)和來自所述太陽能重整器(16，50，100)的所述重整燃料(26，71，122)，以及放出燃燒排氣(32)， 其中，所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)構(gòu)造成能夠響應(yīng)于通往所述太陽能重整器(16，50，100)的太陽能(24，62，112)的可用性而基于所述烴流體(22)和所述重整燃料(26,71,122)中的至少一個來運(yùn)行；以及 其中，所述蒸汽發(fā)生器(15)構(gòu)造成接收從所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)中放出的所述熱排氣(32)，以進(jìn)行發(fā)電。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述太陽能重整器(16，50，100)包括 錐形開口(50，108)，其構(gòu)造成通過石英窗(56，106)集中所接收的太陽能(24，62，·112)，以及將所接收的太陽能(24，62，112)集中到重整室(54，104)中； 設(shè)置在所述重整室(54，104)中的重整催化劑(52，128);以及同軸的管中管式管道(54，114)，其與所述反應(yīng)室(54，104)處于流體連通，并且構(gòu)造成提供用于所述輸入反應(yīng)劑流(63，116)的入口和用于所述重整燃料(26，71，122)的出口。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)包括聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(18)、燃燒室(28)和多個燃?xì)廨啓C(jī)(36)，所述燃燒室(28)構(gòu)造成在不存在太陽能(24，62，112)的期間接收所述烴流體(22)，以及在存在太陽能(24，62，112)的期間接收所述重整燃料(26，71，122)，以在所述燃燒室(28)中進(jìn)行燃燒而產(chǎn)生所述燃燒排氣(32)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)一步包括控制閥(30)，以將作為所述輸入反應(yīng)劑流(63，116)被引導(dǎo)到所述太陽能重整器(16，50，100)中的烴流體(22)的量從全旁通模式控制到完全重整模式。
5.—種產(chǎn)生電功率的方法,包括 控制(42)聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)的燃燒室(28)和太陽能重整器(16，50，·100)之間的烴流體(22)流，所述太陽能重整器(16，50，100)構(gòu)造成接收來自太陽能場(13)的太陽能(24,62,112)以及所述烴流體(22)； 在所述太陽能重整器(16，50，100)中通過經(jīng)由重整動作將所述太陽能(24，62，112)和所述烴流體(22)轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能來重整(43)所述烴流體(22)，以形成重整燃料(26，·71，122)； 將所述重整燃料(26，71，122)供應(yīng)(44)給聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)，以進(jìn)行發(fā)電，所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)構(gòu)造成接收所述烴流體(22)和來自所述太陽能重整器(16，50，100)的所述重整燃料(26，71，122)中的一個，以及放出熱排氣(32)； 將所述熱的排氣(32)供應(yīng)(45)給蒸汽發(fā)生器(15)，所述蒸汽發(fā)生器(15)構(gòu)造成接收從所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)中放出的所述熱排氣(32)，以及進(jìn)行發(fā)電； 其中，所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)構(gòu)造成能夠響應(yīng)于通往所述太陽能重整器(16，50，100)的太陽能(24，62，112)的可用性而基于所述烴流體(22)和所述重整燃料(26，71，122)中的至少一個來運(yùn)行。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述控制(42)所述聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)的所述燃燒室(28)和所述太陽能重整器(16，50，100)之間的烴流體(22)流的步驟包括操作控制閥(30)，以將被引導(dǎo)到所述太陽能重整器(16，50，100)中的烴流體(22)的量從全旁通模式調(diào)節(jié)到完全重整模式。
7.一種構(gòu)造成接收來自太陽能場(13)的太陽能(24，62，112)和作為輸入反應(yīng)劑流(63，116)的烴流體(22)的太陽能重整器(16，50，100)，其中，所述太陽能重整器(16，50，100)通過重整動作來將所述太陽能(24，62，112)和所述輸入反應(yīng)劑流￠3,116)轉(zhuǎn)化成熱能和化學(xué)能，以形成重整燃料(26，71，122)，所述太陽能重整器(16，50，100)包括 錐形開口(58，108)，其構(gòu)造成通過石英窗(56，106)集中所接收的太陽能(24，62，112)，以及將所接收的太陽能(24，62，112)集中到重整室(54，104)中； 設(shè)置在所述重整室(54，104)中的重整催化劑(52，128);以及 同軸的管中管式管道(64，114)，其與所述反應(yīng)室(54，104)處于流體連通，并且構(gòu)造成提供用于所述輸入反應(yīng)劑流(63，116)的入口和用于所述重整燃料(26，71，122)的出口 ； 其中，所述太陽能重整器(16，50，100)運(yùn)行來在存在太陽能(24，62，112)時對聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置(14)提供動力。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能重整器，其特征在于，所述重整催化劑(52)設(shè)置在所述重整器室(54)內(nèi)，并且構(gòu)造成對所述輸入反應(yīng)劑流￠3)和所述重整催化劑(52)提供直接加熱，被引導(dǎo)通過所述石英窗(56)的所述太陽能￠2)對所述輸入反應(yīng)劑流￠3)提供直接加熱。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能重整器，其特征在于，所述重整催化劑(128)設(shè)置在位于所述重整器室(104)內(nèi)的多個反應(yīng)管(126)內(nèi)，所述輸入反應(yīng)劑流(116)流過所述多個反應(yīng)管(126)，被引導(dǎo)通過所述石英窗(106)的所述太陽能(112)通過所述多個反應(yīng)管(126)經(jīng)由熱傳導(dǎo)對所述輸入反應(yīng)劑流(116)提供間接加熱。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的太陽能重整器，其特征在于，所述太陽能重整器(16，50，100)用來在所述太陽能重整器(16，50，100)內(nèi)驅(qū)動CH4+H20+ (太陽熱)—CO+3H2或4CH4+02+2H20 — 10H2+4C0的甲烷重整反應(yīng)中的一個。
全文摘要
本發(fā)明涉及混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)動力裝置及其中太陽能重整器。提供了一種基于太陽能重整技術(shù)的混合式集中太陽能聯(lián)合循環(huán)(CSCC)動力裝置、使用該系統(tǒng)來發(fā)電的方法和用于該系統(tǒng)中的太陽能重整器。該系統(tǒng)使得能夠整合集中太陽能動力裝置(CSP)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(CCGT)動力裝置，從而產(chǎn)生修正與大規(guī)模的集中太陽能動力發(fā)生有關(guān)的已知問題的混合系統(tǒng)。在重整反應(yīng)期間，太陽能重整器允許將太陽能存儲在重整燃料中，并且隨后通過燃?xì)廨啓C(jī)燃燒反應(yīng)進(jìn)行釋放。取決于可用的太陽熱能，被引導(dǎo)到燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置中的燃料可在烴流體和重整燃料之間交替。
文檔編號F02C3/22GK102777220SQ20121014336
公開日2012年11月14日 申請日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月28日
發(fā)明者P·P·庫爾卡尼, 衛(wèi)巍, 張靈芝 申請人:通用電氣公司