专利名称：可燃物气化发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及把可燃物具有的化学能高效转化为电能的技术。更具体地说，本发明涉及一种发电系统，它将可燃性废弃物或煤这样的可燃物气化，所产生的气体用作燃料电池的燃料进行发电。在此，可燃性废弃物包括城市垃圾、废渣燃料、淤浆化燃料(solid-water mixture，固体和水的混合物)、废塑料、废纤维增强塑料(FRP)、生物质废物、汽车废弃物以及废木料、劣质煤和废油之类的工业废物。
背景技术：
近年来，已进行各种尝试把煤之类可燃物所具有的化学能转换成电能。其中之一是采用联合循环发电系统，在该系统中，可燃物在压力下气化，产生的气体用来驱动燃气透平，同时采用废热锅炉从燃气透平排出的废气中回收热量，来驱动蒸汽透平，以致燃气透平和蒸汽透平共同进行联合循环发电，高效获得电能。
可是在上述联合循环发电系统中，需要产生一种如天然气那样的高热值气体，以驱动现有的燃气透平。即采用具有低热值的可燃物(如城市垃圾这样的可燃性废物)气化所产生的低热值气体，不能驱动现有燃气透平。因此，为了得到高热值气体就必须采取某些措施，例如采用纯氧代替空气作为气化剂，以防止生成的气体被空气中所含的氮稀释。至于具有较高的固定碳含量的煤等可燃物，当采用IGCC(气化联合循环一体化)进行气化时，必须提高气化温度使固定碳完全气化。
近来，已在开发利用低热值气体的燃气透平。但是，为了提高效率而提高燃气透平入口气体的温度时，就需要冷空气来冷却暴露于高温下的部件如透平叶片。然而在低热值气体的情况下，如果过剩空气比太大，燃烧气的温度就会降低，因此，必须限制过剩空气比。这种情况下冷却空气量不足，遂使低热值气体燃气透平的开发没有进展。
如果采用氧生产高热值气体，那么制氧就需要能量。如果为了完全气化而提高气化反应温度，相应地就需要过量显热，以提高氧气的比例，从而带来降低冷气效率的问题。另外，由于对供给发电设施的气体温度有限制，曾被提到高温的气体必须冷却，这就很不利地增加了显热损失。由于上述原因，从总体上讲效率不一定改善。此处“冷气体效率”，是指所生成可燃性气体的总热值除以所投入原料的总热值得到的数值。
发明的公开鉴此，本发明者作出本发明，它能够通过优化联合如下技术而采用低热值可燃物作为原料进行高效发电，并能富集和分离所产生的二氧化碳抑制全球变暖，这些技术包括使低热值气体高效转化为电能的技术、从各种可燃物稳定生产气体的技术以及从生成气中脱除对燃料电池有害组分的技术。
据此，本发明的目的是提供一种通过气化可燃物进行发电的系统，在该系统中，将可燃性废弃物或煤这样的可燃物气化，利用化学反应使气化生成气进行高效发电。
本发明的另一目的是提供一种通过气化可燃物进行发电的系统，在该系统中，如可燃性废弃物或煤这样的可燃物在低温气化炉中稳定气化，生成气体，然后从生成气中脱除对燃料电池有害的组分，再将净化后气体引入燃料电池进行高效发电。
为了达到上述目的，根据本发明的一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是将可燃物气化成气体，其生成气再用于化学反应发电。
根据本发明的另一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是可燃物气化成气体，其生成气再用于燃料电池发电。
根据本发明的再一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是将可燃物在流化床燃烧炉中气化成气体，其生成气再用于燃料电池发电。
根据本发明的又一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是将可燃物气化成气体，其生成气经过转化，转化后的气体再用于燃料电池发电。
根据本发明的又一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是将可燃物气化成气体，其生成气用于燃料电池发电，同时燃料电池所产生的废热用作气化的热源。
根据本发明的又一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是将可燃物气化成气体，其生成气用于燃料电池发电，而从燃料电池排出的废气又被引入气化过程加以利用。
根据本发明的又一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是将可燃物在集成式流化床气化炉中气化成气体，该炉是将气化室、炭燃烧室和热回收室集合在一个气化炉中，其生成气再用于燃料电池发电。
根据本发明的又一种方案，提供了一种通过气化可燃物进行发电的系统，其特点是提供一种在400～1000℃下气化可燃物的低温气化炉，该炉中产生的气体供应发电设施发电；同时，发电后含大量蒸汽的排气用作低温气化炉的气化剂。根据本发明的优选方案，这种发电设施是燃料电池。
近年来，燃料电池作为一种将化学能不经过转化为热能而直接转化为电能的技术得到迅速发展。燃料电池大致可以分为4类，从操作温度最高到操作温度最低排列如下固体电解质燃料电池(SOFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)、磷酸燃料电池(PAFC)和聚合物电解质燃料电池(PEFC)。磷酸燃料电池和聚合物电解质燃料电池需要纯氢气作为燃料气。另一方面，固体电解质燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池反应温度高，无需贵金属催化剂，因此有显著特点，即不仅氢气而且连一氧化碳(催化剂的毒物)也可以用作燃料。
而且，燃料电池还有一个显著特点，即混合气中只有燃料气体组分可以选择性地进行反应。例如，即使如氢气、一氧化碳的燃料气与燃料气以外的气体如氮气、二氧化碳或蒸汽混合时，混合气中也只有可用作燃料的气体组分才能与氧反应进行发电。因此，可以不用任何特殊的气体分离技术而采用混合气进行高效发电。
例如，当煤或有机废弃物采用空气气化，其生成气用于驱动燃气透平发电时，由于生成气中含有来自空气的氮气，因此要得到高温燃烧气，就需要过量的热，这相当于使氮气升温所需的显热。理论上，当生成气热值为3.35MJ/m3(NTP)(800kcal/Nm3)时，燃烧气的温度大约是1500℃；而当生成气热值为2.51MJ/m3(NTP)(600kcal/Nm3)时，燃烧气的温度大约是1200℃。而实际上，除非生成气的热值超过4.19MJ/m3(NTP)(1000kcal/Nm3)，否则很难稳定燃烧，而高温燃烧就有产生热NOx的问题。因此，靠燃烧含有大量氮气的气体，很难高效发电。
另一方面，当同类气体用于燃料电池发电时，生成气即燃料气种含有氮会产生某些不利影响，例如降低燃料气组分与电极接触的频率，但是这种不利影响比燃气透平发电时要小得多。
当将8.37～12.56MJ/kg(2000～3000kcal/kg)的低热值可燃物如城市垃圾气化进行发电时，重要的是尽可能提高冷气效率。某些情况下，在一个尚在开发中的用于废物处理的气化熔融燃烧过程中，热解炉采用了间接加热如外部加热方式。这完全是“为了避免部分燃烧和限制氧气比例以提高冷气效率”。提高冷气效率最有效的方法是避免产生无效热量，特别有效的是尽可能降低气化温度。当气化温度能够降低时，用来产生热量以提高温度所消耗的可燃物数量以及氧气耗量都可以降低。这样就可以提高冷气效率，甚至，当采用纯氧作氧化剂时，制氧消耗的能量也降低了，因此，最终的输出效率得以提高。
降低气化温度对气化炉材质也有利。目前正在开发的煤完全气化过程(IGCC)中，气化炉最高温度达到1500℃，甚至还高。因此，选择能耐受这样高温的耐火材料非常困难。目前，没有能耐受这样高温和使用环境的耐火材料，因而要从外部冷却耐火材料以延长其使用寿命。为此，即使采用适当的高压系统以缩小气化炉的尺寸，炉壁表面的辐射损失也会达到全部输入热量的百分之几，从而成为改善总效率的负担。
但当气化温度降低时，可燃组分的分解不能继续进行，使得不是作为燃料电池燃料的氢气和一氧化碳被留下，而是使分子量较大的烃类和高分子烃类如焦油被留下。高分子烃类不能用作燃料，若不经脱除而进入燃料电池的话，不仅导致效率降低，而且会引起缩聚反应使碳沉积在燃料电池内。这些高分子烃类会造成各种麻烦。
近年来，已经在研究于700～800℃的相对较低温度下促进完全气化的各种催化剂。结果证明，不仅镍，而且钠、钾、钙、FeO和其它催化剂都是有效的。而且，操作温度较高的燃料电池，如固体电解质燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，具有燃料气自热转化的特点，即可利用其较高的操作温度和没被燃料电池消耗的残余燃料气的燃烧热进行燃料气的内部转化。当内部转化功能得到有效利用时，在相对较低温度下气化得到的生成气就可用作燃料电池的燃料气。
上述催化剂具有将气化过程所生成的气体中含有的焦油和烃类分解成氢气和一氧化碳的功能，即所谓的转化功能。在这种情况下，可以通过将催化剂填充床保持在预定温度下，并将含有焦油和烃类的生成气与二氧化碳或蒸汽等转化气一起引入填充床来进行转化。催化剂填充床的床层温度一般在700～800℃。尽管上述催化剂作为金属单质具有催化活性，但是其中许多即使是氧化物(例如对钙而言是CaO)也具有同样功能。这些催化剂可以用作流化床气化炉的流化介质。
在这方面，要注意，如果采用来自各种可燃物的气体作为燃料电池的燃料气时，应该对生成气中所含的腐蚀性气体如氯化氢和硫化氢给予足够的关注。尤其是具有较高操作温度的固体电解质燃料电池(SOFC)和熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)，容易遭受严重的腐蚀环境，因此，在生成气进入燃料电池之前必须脱除上述腐蚀性气体。
当生成气含氯化氢或硫化氢时，可以采用装填生石灰(CaO)的床层有效脱除这些腐蚀性气体。氯化氢与生石灰反应生成氯化钙(CaCl2)，而硫化氢与生石灰反应生成硫化钙(CaS)。因此，如果在生成氯化氢或硫化氢的气化工序的下游，设置装填生石灰的床层，则可在无需明显降低气体温度的条件下脱除这些腐蚀性组分。
而且，还须注意例如氯化钠(NaCl)和氯化钾(KCl)之类的碱金属盐，它们是城市垃圾之类气化时造成腐蚀问题的腐蚀性组分。这些碱金属盐类在650℃或更高温度下，以熔融态雾状形式存在，易于黏附在低于熔融温度的部件上，造成其严重腐蚀。因此，预防构成燃料电池的金属部件被这些熔融盐类腐蚀是非常重要的。通过将生成气冷却到盐类熔融温度以下使盐类固化，然后采用过滤器等设施，可以有效地脱除这些熔融碱金属盐类。
由于碱金属盐类的熔融温度是650℃或更高，因此将生成气冷却到650℃以下，随后通过如陶瓷过滤器进行精密集尘，可以大大减轻对熔融盐类引起腐蚀的担心。650℃的温度在处理含有焦油等类物质的生成气时也非常有利。因为焦油在400℃以上呈气态，所以不会发生焦油堵塞过滤器之类的麻烦。
根据本发明的优选方案，可燃物在400～1000℃的温度下于低温气化炉中气化，其生成气冷却到650℃或更低，然后通过气体净化设施脱除其中的有害成分，并进一步将净化后的气体供给燃料电池进行发电。在这种情况下，通过中温集尘器收集从低温气化炉中排出并冷却到650℃或更低温度的气体中所含的固体组分，例如灰分、炭和盐类，以防止这些固体组分进入其后设置的气体净化设施。在通过气体净化设施净化生成气之前，可以将生成气加热到1000～1500℃的高温，使其所含的焦油和烃类分解成低分子物质，然后在将所生成的气体供给燃料电池。
气体净化设施可以分为两类，即干式和湿式。在固体电解质燃料电池和熔融碳酸盐燃料电池的情况下，生成气在冷却到650℃或更低后，采用干式净化设施，可以有效地防止显热损失，因为固体电解质燃料电池的操作温度在900～1000℃，熔融碳酸盐燃料电池的操作温度在700℃左右。另一方面，在磷酸燃料电池或聚合物电解质燃料电池的情况下，供应燃料电池的燃料气温度应该在200℃或更低，因为磷酸燃料电池的操作温度为200℃左右，而聚合物电解质燃料电池的操作温度为80℃左右。所以，气体无需高温净化，可以采用湿式净化设施。因此，可以采用洗涤器进行水洗，作为脱除碱金属或焦油组分的方法。
根据本发明，可燃物气化发电系统的基本结构可参考图23～25加以说明。在图23～25中，类似或相应的部件采用相同的编号表示，以避免重复说明。
图23是本发明的基本流程图。可燃物送入气化工序A，并在其中气化。气化工序A的生成气在热回收工序B中被冷却到650℃或更低。如果需要，可以在热回收工序的上游和/或下游设置集尘器3。在热回收工序B中被冷却的气体引入气体精制工序C，净化成供燃料电池用的燃料气。接着将燃料气送入燃料电池发电工序6。
图24是气体精制工序C的第一种流程图。在把生成气引入气体精制工序C后，在腐蚀性气体脱除工序4中脱除腐蚀性气体如氯化氢和硫化氢。处理后的气体再送入燃料转化工序5，将烃类分解成氢气和一氧化碳，并供给燃料电池发电工序6。应该注意到，在气化工序中，如果除了低温气化炉外，还有在1000～1500℃下操作的高温气化炉时，烃类可以充分分解，因此可以省去燃料转化工序5。在燃料转化工序中，可以使用前述的装填转化催化剂的固定床或移动床反应器，或基本无需提高气体温度而能选择性分解烃类的低温等离子体转化器。采用低温等离子体的转化器，其优点是对操作温度和操作压力基本没有限制。气体精制工序的第一种流程适于操作温度比较高的燃料电池，即固体电解质燃料电池或熔融碳酸盐燃料电池。在腐蚀性气体脱除工序中，选择采用氧化铁或氧化锌作吸附剂的干式工艺，可以在生成气没有显热损失的情况下为燃料电池发电工序6提供净化气。
图25是气体精制工序C的第二种流程图。这第二种流程适合于燃料电池包括聚合物电解质燃料电池或磷酸燃料电池的情况。如图25的结构，在把生成气引入气体精制工序C后，在腐蚀性气体脱除工序4中脱除腐蚀性气体如氯化氢和硫化氢，处理后的生成气再送入燃料转化工序5，在此将烃类分解成氢气和一氧化碳。接着再送入变换工序17，通过一氧化碳变换反应将一氧化碳转化成氢气。然后所得气体送入脱除一氧化碳工序18中脱除残余的一氧化碳，再通过氢气纯化工序19，采用吸收氢气的合金得到纯氢或高浓度氢，并将其供给燃料电池发电工序6。当燃料电池可以对付贫氢气体时，可以省去氢气纯化工序。腐蚀性气体脱除工序4的具体结构如下以采用洗涤器或类似设施的湿式气体净化工艺脱除氯化氢，在湿式气体净化工艺下游采用加氢脱硫。也可以采用其它方法的联合构成脱除腐蚀性气体工序。某些情况下，在变换工序17和脱除一氧化碳工序18的上游提供预处理工艺是有益的。降低气体中二氧化碳分压或提高气体中蒸汽分压能够加速变换反应，其作为变换工序预处理是有效的。适用于预处理方法的具体实例包括胺吸收法，即通过吸收二氧化碳降低二氧化碳分压；以及将蒸汽吹入生成气中提高蒸汽分压的方法。这些作为脱除CO工序18的预处理方法，其差别取决于脱除CO的方法。具体地说，当利用甲烷化反应的甲烷化工艺作为脱除CO方法时，采用胺吸收法脱除二氧化碳，可以最大限度降低二氧化碳含量。另一方面，当利用选择氧化反应的选择氧化工艺作为作为脱除CO方法时，应该吹入含氧气体作氧化剂。虽然也可以采用低温等离子体脱除CO，但是这种情况下必须吹入蒸汽。
附图的简要说明
图1是根据本发明第一个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的基本流程图；图2是根据本发明第二个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图3是根据本发明第三个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图4是根据本发明第四个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图5是根据本发明第四个实施方案的主要组成设备典型构造图；
图6是根据本发明第五个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图7是根据本发明第六个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图8是根据本发明第七个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图9是根据本发明第八个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图10是根据本发明第九个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图11是移动床集尘器的说明图；图12是表明燃料转化器详细结构的剖面图；图13是根据本发明第十个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图14是根据本发明第十一个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图15是根据本发明第十二个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图16是说明进料器的详细视图。
图17是根据本发明第十三个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图18是根据本发明第十四个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图19是根据本发明第十五个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；
图20是根据本发明第十六个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图21是根据本发明第十七个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图22是根据本发明第十八个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图；图23是根据本发明的燃料电池联合循环发电系统的基本流程图；图24是构成本发明燃料电池联合循环发电系统气体精制工序第一个实施方案的流程图；和图25是构成本发明燃料电池联合循环发电系统气体精制工序第二个实施方案的流程图。
实施本发明的最佳方案本发明可燃物气化发电系统的实施方案将参考附图1～22予以说明。图1～22中，类似或相应的组件采用相同的编号以避免重复解释。
图1是根据本发明第一个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的基本流程图。原料21通过进料器1供给流化床低温气化炉2，原料21在炉中400～1000℃下热解，产生含氢气和一氧化碳以及微量烃类的气体，氢气和一氧化碳可用于燃料电池发电。在这种情况下，从进料温度提高到400～1000℃是通过原料21的部分燃烧完成的。原料21所含的不燃物22从气化炉2中排出。低温气化炉除流化床炉外，也可以是旋转窑、推进式炉、以及其它类型炉。当作为原料的可燃物没有一定的形状并含有不燃物时，如城市垃圾之类，希望采用流化床炉。这是因为，在流化床炉中，未烧透的物质不会黏附到不燃物上从炉中排出，因此很少造成不燃物的处理或处置问题。而且，当选用流化床炉时，床层温度应尽可能低，只要热解不受阻碍即可。具体地说，优选在400～600℃下操作炉，因为不燃物未氧化，因此可以很容易地再利用。
当采用形状不定的城市垃圾之类可燃物作为原料时，优选如图16所示的、能防止空气通过其渗漏的进料器。下面更详细地说明图16所示的进料器。进料器1的外壳由如下部分组成进料漏斗部分401；呈锥形、其直径向前端逐渐缩小的筒体402；处于锥形筒体402下游、有许多开孔430的锥形多孔筒体403；和包括出口450在内的前端筒体404。壳体内有一螺旋轴410，其直径相应于锥形壳体向前端逐渐缩小。作为原料的可燃物21供给漏斗部分401，通过螺旋轴410的旋转输送到螺旋轴的前端。同时，可燃物被螺旋轴410和壳体402的锥形挤压。所含水分从被压缩的可燃物中挤出，通过筒体403上多个开孔430排到进料器外边。开孔的尺寸要小到足以避免可燃物通过开孔排出，开孔的最大直径约为10mm。通过挤压降低了水含量的可燃物通过出口450送到低温气化炉2。
在进料器1中，可燃物在筒体401、402、403内均处于压缩状态，从而增加了进料器1的内压，因此空气或类似物质不能从外部进入进料器1。而且，挤压降低了可燃物的水含量，因此就降低了低温气化炉内蒸发潜热所造成的热损失。热损失的降低，使氧气比例下降，因而提高了冷气效率。压榨后的可燃物密度比较均匀，可以减少供料量的波动。因此，图16所示的进料器非常适于作本发明的进料器。
处理由进料器挤压进料所得压出物最简单的办法是将其送到热回收工序B(参见图23)，在此，进料压出物与高温生成气混合进行蒸发和分解。而当由于热平衡或其它原因使进料压出物不能送往热回收工序B时，可将进料压出物送到干燥工序进行干燥处理。较好的干燥处理法是采用间接加热型的干燥器。从热量有效利用的角度看，由燃料电池6产生的热量最适于作为干燥的热源。像在聚合物电解质燃料电池中，由于排气温度低(100℃或更低)，传热表面必须很大，因而可以利用热回收工序B从生成气中回收热量。当热量不足时，要增加辅助燃料。干燥后剩余的固体组分可以混入原料中加工。压出物干燥过程中产生的蒸气发出令人讨厌的臭气，因此优选将其送入热回收工序B，使该蒸气混入高温生成气中分解。因此，如果进料压出物在生成气系统之外进行蒸发和干燥，则只有产生的蒸气送入热回收工序，预期要优于进料压出物本身被吹入热回收工序，其优点是气体温度降低的幅度很小，以致热回收工序中蒸发量可以增加。特别是在气化工序中采用于1000～1500℃下操作的高温气化炉和在高温气化炉下游设置热回收工序的情况下，上述的系统有利。这是因为引入热回收工序的生成气温度高达1300℃左右，而热回收工序的热传递受辐射传热所控制，由于气体保持在高温，使回收热量增加幅度大。
从低温气化炉2排出的生成气和固体组分如灰分送入集尘器3。此时，集尘器入口温度保持400～650℃。在低温气化炉2的下游部分，即稀相空间(freeboard)，由于热解这一吸热反应的进行，使气体温度低于流化床部分。因此，即使流化床温度达到950℃，稀相空间的气体温度也可能低于650℃。当气体温度高时可以设置辐射锅炉。另一方面，当气体温度低于400℃或更低时，可以为稀相空间供应空气或氧气以提高气体温度，避免焦油带来麻烦。可以采用旋分器作为集尘器。但更希望采用集尘效率高的过滤系统。在400～650℃温度范围内，可用高温袋式过滤器作集尘器。也可以使用陶瓷过滤器等正处于迅速开发中的过滤器。
在集尘器3中脱除了灰分和碱金属盐类23等固体组分的生成气送入脱除腐蚀性气体的设施4，在此脱除氯化氢和硫化氢之类腐蚀性气体。前述生石灰填充床是有效脱除腐蚀性气体的设施。例如，可以使用图11中所示的利用生石灰之类的移动床集尘器。该系统有集尘和脱除腐蚀性气体双重功能，因此可以简化整套设备。在移动床集尘器中，构成移动床的介质除生石灰外还有白云石。为了脱除含硫组分，可以在Ni-Mo系催化剂存在下，使全部含硫组分转化为硫化氢，然后使硫化氢与氧化锌(ZnO)反应转化为硫化锌(ZnS)回收。
接着，说明图11所示移动床集尘器。移动床集尘器150包括外壳151和内部过滤器152。过滤器152内有填充CaO颗粒的床层153，CaO颗粒通过循环管线155在过滤器152和外部再生器154之间循环。从集尘器3(参见图1)排出的生成气，通过外壳151上的入口151a进入集尘器150，然后流入过滤器152。在过滤器152中，生成气中所含的硫化氢(H2S)和氯化氢(HCl)通过与CaO反应脱除，净化后的生成气通过外壳151上的出口151b排出。这种情况下，反应式如下
剩余未反应的CaO和反应产物(CaS和CaCl2)送入再生器154，CaS和CaCl2被脱除，只有CaO通过循环管线155返回过滤器152。通过循环管线155补充与硫化氢和氯化氢反应消耗的CaO。
在由移动床集尘器150等构成的腐蚀性气体脱除装置4中，生成气脱除了腐蚀性气体，之后送入燃料转化器5，在此，生成气中所含的烃类分解成氢气和一氧化碳。为加速分解需要高温，从燃料电池的阴极一侧(负极)排出的废气中所含的氢气和一氧化碳可以有效地用作提供高温的热源。因此，如果需要，可将氧气(O2)31送入燃料转化器5去燃烧剩余气体。
图12是表明燃料转化器5详细结构的剖面图。燃料转化器5包括壳体190和壳体190内的反应管191，反应管内装填了能加速降低烃类分子量的Ni-Mo系或Co-Mo系催化剂。生成气，如果需要还有用于转化的氢气以及作为氧源的蒸汽一起送入反应管191。阴极排出气中所含的燃料气和新配入的氧气送入燃烧器192使燃料气燃烧。通过燃烧反应产生的热量把反应管191加热到800℃左右，以便使生成气中所含的烃类完全分解成氢气和一氧化碳。
在气化炉2通过气化得到的主要由氢气和一氧化碳组成的生成气、在燃料转化器5通过高分子烃类分解得到的含氢气和一氧化碳的燃料气、蒸汽以及二氧化碳，被送入熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)6负极一侧用于发电。同时，将空气32或氧气作为氧源送入燃料电池6的正极一侧。通常，由于燃料电池中燃料气的转化率并非100％，来自燃料电池6负极一侧的废气中，除了主要成分蒸汽和二氧化碳外，还含有少量未反应的燃料气(由氢气和一氧化碳组成)，因此可以用作燃料气转化的热源。
来自燃料电池负极一侧的废气，其温度基本等于燃料电池的操作温度。因此，其显热可以用作气化的热源，从而减少部分燃烧所消耗的可燃物的数量。结果，这有利地改善了气化效率，此外，由于废气中蒸汽含量高，气化反应可以通过蒸汽转化作用而加速。来自燃料电池负极一侧的废气，除了主要组分蒸汽和二氧化碳外，还含有少量未反应的燃料气(由氢气和一氧化碳组成)。根据本发明的实施方案，采用高温鼓风机9重新回收利用来自燃料电池负极一侧、温度在600～700℃的废气，作为低温气化炉2的气化剂和流化气(fluidizing gas)。当循环气本身显热不足以维持低温气化炉2的床层温度时，如果需要，可以向低温气化炉2供氧气(O2)31。在这种情况下，供应氧气时，若将氧气混入循环气容易造成剩余的可燃气燃烧，从而形成高温，因此，优选将氧气和循环气相互独立地提供给低温气化炉2。而且，由于活性过高，供应100％的纯氧也是危险的，因此希望用蒸汽、二氧化碳等稀释氧气。
在熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)的情况下，由于必须给正极一侧供应二氧化碳，因此将部分来自燃料电池负极一侧的废气送入气体燃烧器7，使可燃物完全燃烧，并且将部分燃烧气在气体冷却器8中冷却，以脱除水分(H2O)36，从而得到高纯度二氧化碳(CO2)35。必要量的二氧化碳35通过鼓风机12送入燃料电池6的正极一侧，其余二氧化碳35排出系统之外。排出的高纯二氧化碳可以用作其它用途的化学原料。或者可以把二氧化碳固定，从而抑制其排放，以有利于防止全球变暖。其余从气体燃烧器7排出的完全燃烧的气体，与来自燃料电池正极一侧的废气一起送入废热锅炉10，回收和利用其热量作为蒸汽循环的热源。来自废热锅炉10的废气通过鼓风机11排到系统之外。气体燃烧器7产生的热量也可以被有效地用作燃料转化的热源。
图2是根据本发明第二个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图。在根据图2所示的该实施方案的燃料电池联合循环发电系统中，燃料转化器5、燃料电池6和气体燃烧器7联合成一体，从而简化了设备并改善了效率。这种一体化使燃料电池6和气体燃烧器7产生的热量被燃料转化器有效地利用，因此有效地改善了整体效率。图2所示的实施方案的其它结构与图1所示的实施方案相同。
当采用图2所示工艺气化低热值可燃物如城市垃圾时，生成气的湿基热值低达1.88～2.10MJ/m3(NTP)(450～500kcal/Nm3)，干基热值约为2.72MJ/m3(NTP)(650kcal/Nm3)。生成气中有效气体的组成为13体积％左右的氢气和3体积％左右的一氧化碳，其余组分为蒸汽和二氧化碳。燃料电池若采用有上述化学组成的气体进行发电则存在问题，由于有效气体含量低，有效气体与电极的接触效率太低，以致燃料气在燃料电池中的有效利用率降低，电池的性能不能得到充分发挥，导致输出功率降低。在这种情况下，提高系统的压力可以有效地解决这一问题。具体地说，提高压力可以提高有效气体的分压，改善电极与有效气体分子的接触效率，从而提高燃料气的有效利用率。
提高燃料气组分的分压，不仅可以提高燃料气有效利用率，而且也改善燃料电池本身的发电效率。而且，提高压力也缩小燃料气的体积，有助于实现紧凑的气体净化工艺。
提高供应燃料电池的燃料气压力的方法，可以考虑以下几种气化炉本身加压操作，或者气化在常压下进行，然后再压缩生成气。前一种方法涉及向压力系统供应原料的困难，而且形状不定的城市垃圾之类的可燃物进入高压段特别困难。另一方面，后一种方法为了降低压缩能量，气体在压缩前必须冷却，由此带来的不利是对应于温度降低增加了显热损失。在采用聚合物电解质燃料电池(PEFC)或磷酸燃料电池(PAFC)的情况下，进料气温度无论如何都要降低。在采用熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)或固体电解质燃料电池(SOFC)的情况下，虽然可以供应高温气体，但气体也曾因压缩而被冷却，这也会造成能量损失。
因此，当采用MCFC或SOFC作为燃料电池时，优选气化炉本身加压操作。另一方面，当采用PEFC或PAFC作为燃料电池时，考虑到上述缺点，对每个系统可以选择最适宜的气体压缩方法。尽管理论上希望供应燃料电池的燃料气压力更高，但是从实际使用和燃料电池耐压结构角度考虑，供应燃料电池的燃料气压力应在0.2～1.0MPa，优选0.4～0.8MPa，更优选0.5～0.6MPa。在这种情况下，气化工序的操作压力应该比燃料电池正常使用压力高5～50kPa。当燃料气供应燃料电池之前采用压缩机升压时，气化工序可以在任何压力下操作。可是，从向气化炉供应原料考虑，则优选气化炉操作压力低于常压0.2～1.0kPa。
图3是根据本发明第三个实施方案的燃料电池联合循环发电系统流程图。图3所示的第三个实施方案是燃料气加压的实施方案之一。在本实施方案中，将燃料电池6、燃料转化器5、气体燃烧器7、气体冷却器8、腐蚀性气体脱除装置4、集尘器3和低温气化炉2装入一个压力容器13中增压。在这种情况下，原料从常压系统供给压力系统，因此优选原料通过闭锁漏斗式进料器等进入低温气化炉2。但形状不定的城市垃圾之类的可燃物可能在漏斗部分造成“架桥”之类的麻烦。因此，这种系统适用于容易处理的可燃物。例如，从城市垃圾中脱除不燃物、并且将剩余可燃物干燥和成型为固体燃料所制备的RDF，以及轮胎屑等，均为适于本系统处理的燃料。
当按本实施方案燃料电池在压力下发电时，熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)可排出温度在700℃左右的高压气体。因此，从燃料电池6中排出的废气可以引入燃气透平(气体膨胀机)14，通过燃气透平14回收能量。从燃气透平14排出的废气供入废热锅炉10进行热量回收，而所得的蒸汽送入蒸汽透平回收能量。这样，可以实现燃料电池6、燃气透平14和蒸汽透平(未示出)的三段联合循环发电。在图3中整个系统仅提供一个压力容器13。或者可以提供多个压力容器，并将这些设施分别装入压力容器。图3所示实施方案的其它结构与图2所示实施方案相同。
另一系统可以用于具有高热值的可燃物例如废塑料。近年来，由于最终处置地点之类的限制，对焚烧灰分渣化后再重复利用的需求增加了。高热值可燃物例如废塑料，其热值足以使所含灰分渣化，或者提高生成气的温度以降低生成气的分子量，因此适用于各种工艺。
图4是根据本发明第四个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图。图4所示的第四个实施方案是采用高热值可燃物例如废塑料作原料进行燃料电池联合循环发电的实施方案。原料21在低温气化炉2中于400～1000℃下热解并气化，得到的生成气供给高温气化炉15。生成气在高温气化炉15中，于1000～1500℃下进一步气化，以降低生成气的分子量。高温气化炉15保持在生成气所含灰分的熔融温度以上。这样，生成气中所含80％～90％的灰分被渣化，作为熔融炉渣26排到系统之外。生成气中所含的有机物和烃类在高温气化炉中完全分解成氢气、一氧化碳、蒸汽和二氧化碳。高温气化炉15中生成的这些气体再在由辐射锅炉16组成的废热锅炉中冷却到650℃以下，使熔融的碱金属盐类固化。利用集尘器3收集固化后的碱金属盐类24。另外，废热锅炉产生的蒸汽36送入蒸汽透平回收能量。
低温气化炉操作温度为400～1000℃，优选450～800℃，更优选500～600℃。高温气化炉操作温度为1000～1500℃，优选1000～1400℃，更优选1100～1350℃。
在有机物完全分解并脱除固体物质后，将所得的生成气送入腐蚀性气体脱除装置4中脱除腐蚀性气体。脱除腐蚀性气体后的生成气用于燃料电池6发电。在该工艺中，高温气化炉15有双重功能，即燃料转化和灰分渣化。该工艺一个很大的好处就是灰分可以渣化，而且可分别回收碱金属盐类及低熔点金属，因此有利于减轻灰分处置问题。而且，可以取消在紧接燃料电池之前的燃料转化。但该工艺的缺点是，一度加热到1000℃以上的生成气，必须降到低于熔融碱金属盐类固化温度的650℃。由于高温生成气仍然含有大量腐蚀性组分，尽管具有高温显热，然而也不得不以低温蒸汽回收热量。温度下降的程度，对应于效率的降低。
但是，近年来开发了一种利用空气之类气体作为热回收介质从高温气体中回收700℃以上高温显热的技术。作为低温气化炉气化剂的氧气、蒸汽等都可以作为热介质，这些热介质被加热到700℃以上之后送入气化炉，以便有效地利用其高温显热。
从燃料电池6负极一侧排出的部分废气通过高温鼓风机9送入低温气化炉2，重新用作气化剂和流化气。从燃料电池6负极一侧排出的废气也送入燃烧器7和高温气化炉15。
同时，可以用高温显热回收设施，代替高温气化炉15下游的辐射锅炉16，即在高温气体和从燃料电池6负极一侧排出的部分废气之间进行间接换热，回收高温气体的高温显热，然后返回低温气化炉2。在从负极一侧排出的部分废气供给高温气化炉时，关键是废气在进入高温气化炉之前决不应与含氧气体混合。高温气化炉应该分别配置用于负极一侧排出废气的喷嘴和供应氧化剂的喷嘴。当废气和氧化剂只能通过一个喷嘴供应时，可以使用有双重管路结构的双流体喷嘴，使从负极一侧排出的废气和氧化剂只能在气化炉中相互混合。
另一方面，从燃料电池6正极一侧排出的废气供入气体燃烧器7和废热锅炉10。废气中所含可燃物在气体燃烧器7中燃烧之后，一部分从气体燃烧器7中排出的废气与从废热锅炉10中排出的废气汇合，汇合后的废气通过鼓风机11排到系统之外。从气体燃烧器7中排出的其余废气在气体冷却器8中冷却，脱除水分(H2O)36，从而得到高纯度二氧化碳(CO2)35。必要量的二氧化碳再通过鼓风机12送入燃料电池6的正极。
这方面应该注意到，这种二氧化碳循环仅仅在采用熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)时需要，而采用其它燃料电池时不需要。
图5是构成本发明第四个实施方案的主要组成设施典型构造图。低温气化炉2是在内部有流化介质循环流动的圆筒形流化床气化炉，其具有使物料在炉内高度扩散的能力，因此可实现稳定气化。不含氧的气体进入有流化介质向下移动的气化炉的中心部位，而含氧气体进入气化炉的周边部位。这使在低温气化炉中生成的炭选择性燃烧，有利于改进碳的转化率和冷气效率。高温气化炉15是涡流式熔融炉。
下面将更详细地说明图5所示圆筒形流化床气化炉。圆筒形流化床气化炉底部设有锥形分布板106。通过分布板106提供的流化气包括中心流化气207，其来自底部中心部分204，向上流至炉内；周边流化气208，其来自底部周边部分203，向上流至炉内。
中心流化气207由不含氧的气体组成，而周边流化气208由含氧气体组成。全部流化气中含氧总量设定为不小于可燃物燃烧理论需氧量的10％和不大于其30％，这样可在气化炉1内部保持还原气氛。
氧含量10％～30％是采用低热值可燃物如城市垃圾作原料时的数值，采用高热值可燃物如废塑料作原料时，氧含量为5％～10％。
中心流化气207的质量流速的设定要小于周边流化气208的。向上流动的流化气在气化炉内周边区域上半部通过折流板206折向气化炉的中心区域。这样，在气化炉的中心区域形成移动床209，其中流化介质(一般是石英砂)向下移动并在分布板上扩散。在气化炉的周边区域，形成流化床210，其中流化介质有效流化。如箭头118所指，流化介质在气化炉周边区域于流化床210中上升，通过折流板206折向移动床209的上半部，在移动床209中下降。然后，再如箭头112所指，流化介质沿流化气体分布板106移动，进入流化床210的下半部。流化介质就如箭头118和112所指，以这种方式在流化床210和移动床209中循环。
通过计量进料器1进入移动床209上半部的原料21与移动床209中的流化介质一起向下移动，此时，原料被流化介质加热而挥发。因为在移动床209中很少或没有氧可利用，气化生成的含有挥发组分的热解气(生成气)就不会燃烧，并且按箭头116所指通过移动床209。结果，移动床209形成气化区G。生成气如箭头120所指移入稀相空间102，并从气体出口108作为气体g排出。
在移动床209中产生的没有气化的炭(固定碳)和焦油，如箭头112所指，与流化介质一起从移动床209的下半部移向气化炉周边区域流化床210的下半部，并被具有较高氧浓度的周边流化气208部分氧化。结果，流化床210形成一个氧化区S。在流化床210中，流化介质被流化床中燃烧产生的热量加热。已加热到高温的流化介质被折流板206折向箭头118所指，送入移动床209作为气化的热源。流化床以这种方式保持在温度为400～1000℃，优选为400～600℃，且继续进行受控燃烧反应。在流化床气化炉底部的周边区域形成环形排出口205，排出不燃物22。
根据图5所示的流化床气化炉，流化床中形成气化区G和氧化区S，流化介质在两个区域中循环。由于流化介质也作为传热介质，在气化区G产生具有高热值的优质可燃气，而难以气化的炭和焦油在氧化区S被有效地燃烧。结果，可以改善如废弃物一类可燃物的气化效率，且可以产生优质生成气。这种流化床气化炉最适宜用作第一到第三个实施方案中的低温气化炉。低温气化炉不限于圆筒形流化床气化炉，如上述实施方案，窑式(kiln-type)或推料式(stoker-type)气化炉都适用。
图5中所示循环流动型流化床气化炉在采用如下流化床流化介质时更有效，即具有加速降低烃类分子量功能的颗粒，例如镍-钼系或钴-钼系催化剂；或者碱金属例如钠或钾；或者碱土金属例如钙的单质或金属氧化物。其原因如下当在还原气氛中存在催化剂颗粒条件下烃类进行分子量降低的反应时，沉积在催化剂表面上的炭不可避免地降低了其催化功能。可是，在内部循环型流化床气化炉这种情况下，在同一气化炉内，存在有较高氧分压的氧化区，在这一氧化区中，催化剂表面沉积的炭可以被燃烧并脱除。由于颗粒表面沉积的炭被脱除，催化剂颗粒再次恢复了催化活性，因此实现了催化剂的有效利用。
下面，更详细地说明涡流型熔融炉。高温气化炉15包括一个具有基本立轴的圆筒形一级气化室15a、一个朝水平方向略向下倾斜的二级气化室15b和一个置于二级气化室15b下游、具有基本立轴的三级气化室15c。在二级气化室15b和三级气化室15c之间有一个排渣口142。所含灰分绝大部分在排渣口142之前渣化，并通过排渣口142排出。生成气沿切线方向进入涡流型熔融炉，以使得在一级气化室15a中形成涡流。生成气进入涡流型熔融炉形成涡流，其中所含的固体物质在离心力的作用下被捕集到周围内壁表面。因此，其好处是，渣化百分数和炉渣收集百分数都高，渣粉很少会飞散。
通过许多喷嘴134向涡流型熔融炉供氧，以适当保持熔融炉的温度分布。调整温度分布，以便使烃类分解和灰分渣化在一级气化室15a和二级气化室15b中完成。当单独供应氧气时，会担心喷嘴烧坏。因此在供应氧气之前必须要用蒸汽等加以稀释。而且，通过蒸汽转化，蒸汽有助于降低烃类分子量，但要有足够的数量供应。这是因为燃烧炉内部处于高温，当蒸汽量不足时会发生缩聚反应，产生反应性极低的石墨，造成燃料未燃烧的损失。
炉渣流到二级气化室15b下表面，作为熔融炉渣26通过排渣口142排出。三级气化室15c作为缓冲区，可以防止排渣口142被三级气化室15c下游的废热锅炉的辐射致冷所冷却，并且使未分解气体的分子量降低。在三级气化室15c上端设置了排出生成气的排气口144，而在三级气化室15c的下部设置了辐射板148。辐射板148是用来减少经排气口144的辐射散热量。编号132代表开工燃烧器，编号136代表稳定的燃烧器。生成气中所含的有机物和烃类在高温气化炉中完全分解为氢气、一氧化碳、蒸汽和二氧化碳。在高温气化炉15中产生的气体从排气口144排出，然后在由辐射锅炉组成的废热锅炉16中冷却到650℃以下，以便使熔融的碱金属盐类固化。固化后的碱金属盐类24被集尘器3捕集。高温气化炉不限于涡流型熔融炉，也可以使用其它形式的气化炉。
图6是根据本发明第五个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图。图6所示的第五个实施方案是改进高温气化炉结构以有利于排渣的实施方案。具体地说，高温气化炉15采用两段结构，上段和下段气化炉。生成气从高温气化炉15的上段流入，再流向下段。在这种情况下，气流方向与炉渣靠重力下降的方向相同。因此，气流平稳，在排渣口很少会发生堵塞的麻烦。废热锅炉由辐射式锅炉16构成，置于高温气化炉15的下段一侧。其它结构与图4所示第四个实施方案相同。
图7是根据本发明第六个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图。图7所示的第六个实施方案与图4所示的第四个实施方案相同，除了第六个实施方案加压以外。更具体地说，低温气化炉2、高温气化炉15、集尘器3、腐蚀性气体脱除装置4、燃料电池6、气体燃烧器7和气体冷却器8均置于一个压力容器13中。压力容器13中全部设施内部都加压到预定压力。如同图3所示的第三个实施方案，本实施方案是可以进行燃料电池发电、燃气透平发电和蒸汽透平发电的三段联合循环发电系统。
当含有大量氯的可燃性废塑料例如聚氯乙烯作原料时，应该考虑脱氯。图8是根据本发明第七个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的流程图。在这一实施方案中，从低温气化炉2顶部排出的含有固体如炭的生成气，被送入高温气化炉15，通过与气化剂中所含氧气和蒸汽接触，该生成气在1300℃以上完全气化。由于高温，气体中所含灰分转化为渣雾，与生成气一起进入急冷室15A。在急冷室15A中，炉渣26在水中浆化并排出系统。另一方面，流入急冷室15A的生成气，在急冷室15A中被水冷却，生成气中所含的氯通过水洗脱除。脱氯净化后的生成气供给燃料电池6用来发电。从燃料电池6负极一侧排出的废气，利用高温鼓风机9，通过气体燃烧器7进入低温气化炉2，重新用作低温气化炉2的气化剂和流化气。
另一方面，从燃料电池6正极一侧排出的废气，与从气体燃烧器7排出的废气一起送入燃气透平14，回收能量。从燃气透平14排出的废气经过废热锅炉10排出系统。
图9是根据本发明第八个实施方案的燃料电池联合循环发电系统流程图。如图9所示的第八个实施方案是本发明提出的一体化气化炉实施方案，它把气化室、炭燃烧室和热回收室纳入一个用作低温气化炉的燃烧炉。如图9所示，低温气化炉2的内部被第一分隔壁302分成气化段303和燃烧段304。第一分隔壁302配置了联结口337，使气化段303和燃烧段304相互连接。气化段303中有气化室305。气化段303还备有排气口349，生成气通过排气口349排出炉外。
另一方面，燃烧段304被第二分隔壁350进一步分成炭燃烧室306和热回收室307。但是燃烧段304上部不分割，炭燃烧室和热回收室在稀相空间联合。各自的废气在稀相空间混合在一起，然后通过排气口351排到炉外。传热表面346嵌入热回收室307，可以从流化介质中回收热量。第二分隔壁350配置了下部联结口340，下部联结口340配合上部开口，可以使流化介质在炭燃烧室306和热回收室307之间流动。提供流化气，使得在气化室305的流化床内形成两个不同的流化区。结果，流化介质在较弱的流化区向下流动，而在较强的流化区向上移动，从而形成了一个循环流。
另一方面，在燃烧段304也供给流化气，使得在炭燃烧室306的流化床内也形成两个不同的流化区。结果，流化介质在较弱的流化区向下流动，而在较强的流化区向上移动，从而形成了一个循环流。而且，在热回收室307也喷入流化气，以提供一个基本很小的表面气速，从而使向下流动的流化介质在炉底部上方形成较弱的流化区。
将原料21引入在压力下操作的低温气化炉2内的气化室305，进行热解。在气化室305中生成的气体被引入高温气化炉15。在气化室305生成的炭中，炭粒大小能使其停留在流化床中，并通过流化介质的流动携带到炭燃烧室306，在此炭粒完全燃烧。将燃烧用空气供入炭燃烧室306；燃烧气与从燃料电池6正极一侧排出的废气一起送入燃气透平14回收能量。在气化室305生成的炭中，炭粒大小使其能被生成气携入高温气化炉15中，并在1300℃以上高温与氧气和蒸汽反应，完全气化。从燃料电池6负极一侧排出的废气，通过高温鼓风机9加压；残余的燃料在气体燃烧器7中完全燃烧。燃烧后的气体，可以在低温气化炉2的气化室305中重新用作气化剂和流化气；另外，也可以送入高温气化炉15用作稀释氧气的稀释气。因为从负极一侧排出的废气温度在700℃左右，因此为气化供热而送入低温气化炉2之气化室305中的氧气可以大大减少，从而达到较高的冷气效率。
当具有加速降低烃类分子量功能的粒子用作流化床的流化介质时，图9所示一体化气化炉更有效，上述这些粒子是如镍-钼系或钴-钼系催化剂，或者如钠、钾等碱金属，或者碱土金属如钙的单质或金属氧化物。其原因如下当在还原气氛中存在催化剂颗粒的条件下降低烃类分子量时，炭就不可避免地沉积在催化剂表面上，并降低了催化剂的功能。可是，在一体化气化炉这种情况下，同一燃烧炉内，存在有相互明显隔离的气化段和燃烧段，与图5所示内部循环流动型流化床炉相比，催化剂表面沉积的炭可以在燃烧段更可靠地燃烧除去。因此通过高水平脱除颗粒表面沉积的炭，催化剂颗粒再次恢复高水平催化活性，因此可以实现催化剂更有效的利用。
从燃料电池6正极一侧排出的废气也处于高温且含氧，因此可以有效地用作流化气，也可以作为低温气化炉2炭燃烧室306的燃烧气。当低温气化炉操作压力比燃料电池操作压力高时，排出废气在供应低温气化炉之前应该通过高温鼓风机升压。另一方面，当燃料电池操作压力与低温气化炉操作压力相比足够高时，可以有效地利用燃料电池排出废气的压力。在将一体化气化炉燃烧段304排出的废气送入燃气透平14时，如果需要，可以通过集尘器例如旋分器或陶瓷过滤器，脱除气体中所含的灰尘。
而且，不必通过流化介质在炭燃烧器306和气化室305间的循环，利用其显热来维持气化室305的温度。因此，在气化室内，与流化介质一起循环的炭的停留时间，可以得到理想的控制，从而使具有不同固定炭含量、难以气化的各种可燃物都可以用作燃料。本实施方案的其它结构与图8所示的第七个实施方案相同。
图10表示根据本发明第九个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的结构。与图9所示的实施方案相同，图10所示的本发明第九个实施方案中，由一个气化室、一个炭燃烧室和一个热回收室集合在一个燃烧炉内构成的一体化气化炉用作本发明的低温气化炉。在如图9所示的本实施方案中，气化室305、炭燃烧室306和热回收室307设置在低温气化炉2中。在本实施方案中，原料21引入常压操作的低温气化炉2内的气化室305，在气化室305生成的全部炭被送到炭燃烧室306燃烧。从炭燃烧室306排出的废气与从燃料电池6正极一侧排出的废气，一起送入废热锅炉10回收热量。在气化室305生成的气体，通过集尘器3和腐蚀性气体脱除装置4，然后顺序引入组成一个整体的燃料转化器5、燃料电池6和气体燃烧室7。从燃料电池6负极一侧排出的废气，在气体燃烧器7中将残余燃料完全燃烧。燃烧气可以在低温气化炉2的气化室305中重新用作气化剂和流化气。从废热锅炉10排出的废气由鼓风机11送入集尘器18，脱除其所含的灰分，然后排放。其它结构与图2所示的实施方案相同。
图13表示根据本发明第十个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的结构。在图13所示的第十个实施方案中，从燃料电池6负极一侧排出的废气不进行循环。也就是说，本实施方案是与图1所示的第一个实施方案同样的系统，除了去掉从燃料电池6负极一侧排出的废气返回低温气化炉2的通道之外。因此，从燃料电池6负极一侧排出的废气，只送到气体燃烧室7和燃料转化器5。作为供给流化床的气化剂，可以使用空气、氧气、蒸汽或其混合物。其它结构与图1所示的实施方案相同。
在图1～13所示实施方案中，以熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)作为实例加以说明。当然本发明也适用于固体电解质燃料电池(SOFC)。而且，通过添加CO变换工序把生成气中所含CO和H2O转化为H2和CO2，从而脱除CO，本发明也可以适用于磷酸燃料电池和聚合物电解质燃料电池。此外，在磷酸燃料电池(PAFC)或聚合物电解质燃料电池(PEFC)中，采用仅允许生成气中所含氢气透过的膜和选择性吸收氢气的合金，进行选择性分离氢气，也很有效。
图14表示根据本发明第十一个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的结构。图14所示第十一个实施方案是本发明添加CO变换工序的典型实施方案。更具体地说，在燃料转化器5的下游设置CO变换反应器17，进行CO变换。这样，只有氢气供给燃料电池6作燃料气。在存在CO从CO变换工序中漏过的问题时，可以在CO变换工序之后设置CO气体脱除工序。可以采用仅选择性渗透氢气的氢气渗透膜，或者仅选择性吸收氢气的储氢合金，来脱除CO气体。其它结构与图1所示的相同。
图15表示根据本发明第十二个实施方案的燃料电池联合循环发电系统的结构。图15所示的第十二个实施方案，是本发明在CO变换工序之后采用储氢合金选择吸收氢气的典型实施方案。根据该实施方案，在燃料转化器5下游设置CO变换反应器17，进行CO变换。另外，在CO变换反应器17下游设置储氢合金19。储氢合金19可以吸收和储存相当于该合金自身容积1000倍的氢气。因此，提供具有适当容量的储氢合金保障措施，可以实现气化炉操作不受燃料电池发电负荷的制约。这就大大提高了利用整个系统的自由度。目前开发中的、基于镧或其它稀土金属的储氢合金，其工作温度大约100℃。如果需要，可在储氢合金上游设置一个冷却器。由储氢合金19获得的氢气供给燃料电池6，而残余气体与从燃料电池6负极一侧排出的废气汇合。可采用气柜代替储氢合金。特别是，储氢合金或气柜可以作为根据发电负荷调整气化炉向燃料电池6供氢负荷的一种手段，从而使发电与电力需求匹配。由于储氢合金有选择性吸收氢气的功能，当生成气中CO含量少时，可以取消CO变换反应器17。
图17是表示本发明第十三个实施方案的流程图。在这一实施方案中，将上述一体化流化床气化炉用作气化工序的低温气化炉。原料经压缩通过进料器1进入低温气化炉2。该低温气化炉是在常压或较高压力下操作的一体化气化炉。低温气化炉生成的气体送入锅炉16，并在此冷却到预定温度。冷却后的气体送入气体精制工序C。在气体精制工序中，净化后的生成气再作为燃料气，引入燃料电池6的负极发电。虽然提供给燃料电池的生成气的压力可以根据燃料电池的类型变化，但一般在0.2～1.0MPa。压缩空气作为氧化剂供给燃料电池的正极。从燃料电池的正极和负极分别排放的尾气即废气，在一体化气化炉中分别作为燃烧段304和气化段303的流化气重新利用。同时，从燃料电池排出的废气压力低于一体化气化炉的操作压力，因此要采用增压鼓风机9′、9将废气提高到必要压力，然后再将增压后的废气供给一体化气化炉。这种从燃料电池正极排出并供给一体化气化炉燃烧段304烧掉炭的废气，可作为燃烧气引入废热锅炉10回收热量。将在进料器1中得到的原料挤出物引入锅炉10的最上游，在此原料挤出物与燃烧气混合并挥发。在锅炉10、16中回收的蒸汽可用于驱动蒸汽透平或用于气体精制工序。另外，该蒸汽也可以用作干燥原料挤出物用的热源。与图1所示实施方案相同，当采用熔融碳酸盐燃料电池时，部分从燃料电池负极一侧排出的废气被引入气体燃烧器7生成二氧化碳，并与压缩空气一道供给正极一侧。
图18表示本发明第十四个实施方案。在该实施方案中，上述一体化流化床气化炉用作气化工序的低温气化炉，并另外设置高温气化炉。原料经压缩通过进料器1进入低温气化炉2。该构成一体化气化炉的低温气化炉可在常压或较高压力下操作，其操作温度为气化室305在400～900℃，炭燃烧室306在800～1000℃。一体化气化炉生成的气体被引入在1000～1500℃操作的高温气化炉15，在此，炭和烃类分解成氢气和一氧化碳，并且灰分渣化。该气体在位于高温气化炉下半部的急冷室15A中冷却到预定温度后，再引入气体精制工序C。按照本实施方案，高温生成气带压并通过急冷室冷却，所得生成气温度约200℃，并含饱和蒸汽。这样的气体条件接近于下游气体精制工序CO变换的最佳条件，因此非常有利。这对必须供应含饱和蒸汽的燃料气的磷酸燃料电池和聚合物电解质燃料电池也有利，因为生成气中已预先含有了足够量的蒸汽。在气体精制工序净化后的生成气作为燃料气引入燃料电池6的负极发电。虽然供应燃料电池的生成气的压力可以根据燃料电池的类型变化，但压力一般在0.2～1.0MPa。压缩空气可以作为氧化剂供给燃料电池的正极。分别从燃料电池的正极和负极排出的尾气即废气，可以分别作为一体化气化炉中燃烧段304和气化段305的流化气。此时，从燃料电池排出的废气，其压力低于一体化气化炉的操作压力，因此废气通过增压鼓风机9′、9提高到必要压力，然后将增压后的废气再供给一体化气化炉。这种从燃料电池正极排出并供给一体化气化炉的燃烧段烧掉炭的废气，可作为燃烧气引入废热锅炉10回收热量。此时，一部分燃烧气供给高温气化炉。这是因为燃烧气具有900℃左右的高温且含氧，因此可以用作高温气化炉的氧化剂，而燃烧气中含有的二氧化碳可以有效地用作高温气化炉的气化剂。其它结构与图17所示的实施方案相同。
图19表示本发明的第十五个实施方案。该实施方案是上述一体化流化床气化炉用作气化工序的低温气化炉并另外设置高温气化炉的又一实施方案。一体化气化炉生成的气体被引入在1000～1500℃操作的高温气化炉15，在此，炭和烃类分解成氢气和一氧化碳而灰分渣化。从高温气化炉15排出的生成气再引入锅炉16，气体在此冷却到预定温度，冷却后的气体进入气体精制工序C。其它的结构与图18所示的实施方案相同。
图20表示本发明的第十六个实施方案。在该实施方案中，一个常压型一体化流化床气化炉用作气化工序的低温气化炉。原料经压缩通过进料器1进入低温气化炉2。该构成一体化气化炉的低温气化炉可在常压或较低压力下操作，其操作温度和其它条件与上述那些实施方案相同。一体化气化炉生成的气体通过集尘器3，引入锅炉16并在此冷却到预定温度，冷却后的气体再进入气体精制工序C。在气体精制工序净化后的生成气通过压缩机20压缩到必要压力，压缩后的生成气作为燃料气引入燃料电池6的负极发电。虽然供应燃料电池的生成气的压力可以根据燃料电池的类型变化，但压力一般在0.2～1.0MPa。气体精制工序下游不需要提供气体压缩机。如有必要，可以在气体精制工序C上游或组成气体精制工序的工段之间设置气体压缩机。当气体精制工序C中包括采用储氢合金的氢气纯化工序时，可以从储氢合金获得压力不低于0.5MPa的高压氢气，因此无需压缩机。压缩空气可以作为氧化剂供给燃料电池的正极。从燃料电池的正极和负极分别排放的尾气即废气，在一体化气化炉中分别重新用作燃烧段304和气化段303的流化气。此时，从燃料电池排出的废气有比一体化气化炉操作压力足够高的压力，因此如有必要，可采用气体膨胀机28′、28回收废气的压力能作为能量，其后再将废气引入一体化气化炉。从燃料电池正极排出并供给一体化气化炉中燃烧段304用于烧掉炭的废气，可以作为燃烧气引入废热锅炉10，回收热量。其它结构与图17所示的实施方案相同。
图21表示本发明的第十七个实施方案。在该实施方案中，一个常压型一体化流化床气化炉用作气化工序的低温气化炉，同时另外设置高温气化炉。该一体化气化炉可在常压或较低压力下操作，其所生成的气体通过集尘器3被引入在1000～1500℃下操作的高温气化炉15，在此，炭和烃类分解成氢气和一氧化碳，而灰分渣化。从高温气化炉15排出的生成气再引入锅炉16，气体在此冷却到预定温度，冷却后的气体再进入气体精制工序C。在气体精制工序净化后的生成气，可以作为燃料气引入燃料电池6的负极发电。虽然供应燃料电池的生成气的压力可以根据燃料电池的类型变化，但压力一般在0.2～1.0MPa。气体精制工序下游不需要设置气体压缩机。如有必要，可以在气体精制工序C上游或组成气体精制工序的工段之间设置气体压缩机。与图21所示的实施方案相同，当气体精制工序C中包括采用储氢合金的氢气纯化工序时，可以取消压缩机。压缩空气可作为氧化剂供给燃料电池的正极。从燃料电池的正极和负极分别排放的尾气即废气，在一体化气化炉中分别重新用作燃烧段304和气化段303的流化气。此时，从燃料电池排出的废气有比一体化气化炉操作压力足够高的压力，因此，如有必要，采用气体膨胀机28′、28回收废气的压力能作为动力，其后再将废气引入一体化气化炉。从燃料电池正极排出并供给一体化气化炉中燃烧段304用于烧掉炭的废气，可以作为燃烧气引入废热锅炉10回收热量。此时，一部分燃烧气供给高温气化炉15。这是因为燃烧气具有900℃左右的高温且含氧，因此可以用作高温气化炉的氧化剂，同时燃烧气中含有的二氧化碳可以有效地用作高温气化炉的气化剂。另外，如有必要，在废热锅炉10之前可以设置一个集尘器3′收集灰分，所收集的灰分再送入高温气化炉15，并在此渣化。其它的结构与图17所示的实施方案相同。
图22表示本发明的第十八个实施方案。在该实施方案中，一个循环流动型流化床气化炉用作气化工序的低温气化炉，并另外设置高温气化炉。低温气化炉2可在常压或较低压力下操作，所生成的气体引入在1000～1500℃下操作的高温气化炉15，在此，炭和烃类分解成氢气和一氧化碳，而灰分渣化。从高温气化炉15排出的生成气再引入锅炉16，气体在此冷却到预定温度；然后，冷却后的气体进入气体精制工序C。在气体精制工序净化后的生成气，可以作为燃料气引入燃料电池6的负极发电。根据本实施方案，气体精制工序C中的腐蚀性气体脱除工序4由湿式脱氯过程和脱硫过程组成。从湿式脱氯过程排出的生成气通过气体压缩机20压缩到预定压力，再引入脱硫过程。虽然供应燃料电池的生成气的压力可以根据燃料电池的类型变化，但其压力一般在0.2～1.0MPa。根据本实施方案，从燃料电池排出的废气处于压力状态，因此从正极和负极排放的尾气都被引入尾气燃烧器，回收负极一侧排放尾气所含可燃气的能量，以及回收压力能作为动力，并通过汽轮增压机为燃料电池的正极提供压缩空气。经汽轮增压机释放压力后的燃料电池废气再引入废热锅炉10，回收热量。
经进料器1产生的进料挤出物被引入干燥器30，在此，进料挤出物被锅炉10和/或锅炉16产生的蒸汽加热、蒸发并干燥。进料挤出物散发的废蒸气具有讨厌的气味，将其混入锅炉10和/或锅炉16的高温气体中，使气味分解。虽然进料挤出物可以不经干燥器干燥而直接混入锅炉10和/或锅炉16的高温气体中，但是，进料挤出物在系统之外蒸发和干燥后，只将生成的废蒸气供给热回收工序，这与将进料挤出物吹入热回收工序相比，其可以预期的好处是气体温度下降幅度很小，以致可以增加热回收工序的蒸发量。特别是对于如在该实施方案中气化工序采用在1000～1500℃下操作的高温气化炉15，且在高温气化炉下游设置热回收工序的场合，极为有利。这是因为，引入热回收工序的生成气的温度高达1300℃左右，而热回收工序中的传热受辐射传热控制，因此靠保持气体高温所增加的热回收量的比例很大。
在图1～22所示的实施方案中，列举了从气化到燃料电池发电各工序中不同设备的组合。除图1～22列举的各种设备组合外，其它的设备也是可能的。
正如前述，根据本发明，可燃物可以气化，然后利用得到的生成气通过化学反应高效发电。
另外，按照本发明，气化炉中生成的气体可供应发电设施发电，而发电后含有大量蒸汽的废气可以重新用作低温气化炉的气化剂。这样，重新利用废气的显热作为气化的热源，可以降低可燃物部分燃烧的用量，因此改善了气化效率。此外，含有大量蒸汽的废气可以通过蒸汽转化作用加速气化反应，而这也会改善气化效果。
因此，根据本发明，能够使可燃性废弃物或煤这样的可燃物在低温气化炉中稳定地气化，然后从其生成气中脱除对燃料电池有害的组分，再将净化后的气体引入燃料电池高效发电。
工业上的适用范围本发明涉及将可燃物的化学能高效转化为电能的能量转换技术。本发明可以用于这样的发电系统，即将如可燃性废弃物或煤这样的可燃物气化，然后其生成气再用作燃料电池的燃料气去发电。
权利要求
1.一种气体转化方法，其包括在气化工序中气化可燃物，生成气体；在转化工序中使用催化剂转化在所述气化工序中生成的气体，生成燃料气体；以及利用通过燃烧所述气化程序中生成的炭所产生的热量来恢复所述催化剂的催化活性。
2.一种气体转化装置，其包括用于气化可燃物以生成气体的气化炉；以及使用催化剂转化在所述气化炉中生成的气体以生成燃料气体的燃料转化器；其中，利用通过燃烧所述气化炉中生成的炭所产生的热量来恢复所述催化剂的催化活性。
3.一种气体转化装置，其包括用于气化可燃物以生成气体的气化炉；使用催化剂转化在所述气化炉中生成的气体以生成燃料气体的燃料转化器；其中，所述气化炉包括用于气化可燃物以生成气体的气化室、以及用于燃烧在气化可燃物期间生成的炭的炭燃烧室，所述气化室和炭燃烧室具有含催化剂的流化床；而且所述可燃物在所述气化室中气化，生成所述气体，生成气体由所述催化剂转化，将转化生成气体所降解的催化剂引入炭燃烧室并在该炭燃烧室中加热以恢复所述催化剂的催化活性，然后将具有恢复催化活性的催化剂返回到所述气化室中。
4.一种气体转化方法，其包括用于气化可燃物以生成气体的气化炉；以及使用催化剂转化在所述气化炉中生成的气体以生成燃料气体的燃料转化器；其中所述气化炉具有含催化剂的流化床；而且所述可燃物在所述气化炉中气化，生成所述气体，生成气体由所述催化剂转化，将转化生成气体所降解的催化剂加热以恢复所述催化剂的催化活性，然后有效地利用具有恢复催化活性的催化剂。
全文摘要
本发明提供了一种在预定温度如400～1000℃下气化可燃物，如可燃性废弃物或煤的低温气化炉(2)，再将所生成的气体供给燃料电池(6)进行发电。低温气化炉优选包括流化床气化炉。
文档编号B01J8/36GK1536270SQ200310120158
公开日2004年10月13日 申请日期1999年11月5日 优先权日1998年11月5日
发明者藤村宏幸, 大下孝裕, 裕, 久, 广势哲久, 三好敬久, 利, 成濑克利, 一, 早川淳一 申请人:株式会社荏原制作所