能源生产的环保方法及系统

申请号 CN200980136674.1 申请日 2009-07-02 公开(公告)号 CN102159797A 公开(公告)日 2011-08-17
申请人 联邦快递公司; 发明人 R·C·奈特; R·L·安朱卡; P·J·多伊尔;
摘要 本 发明 公开了一种 能源 生产的方法。该方法包括整合三种或更多能源生产技术,以便使第一能源生产技术的第一副产物应用于第二能源生产技术,第二能源生产技术的第二副产物应用于第三能源生产技术。所述方法还包括操作整合的能源生产技术来生产 能量 ,以使至少一部分第一副产物在第二能源生产技术的操作中被利用,一部分第二副产物在第三能源生产技术的操作中被利用。
权利要求

1. 一种能源生产方法,包括:
整合三种或更多种能源生产技术,从而使得第一能源生产技术的第一副产物应用于第二能源生产技术,所述第二能源生产技术的第二副产物应用于第三能源生产技术;和操作经整合的能源生产技术以生产能量,使得在所述第二能源生产技术的操作中利用至少一部分所述第一副产物,在所述第三能源生产技术的操作中利用一部分所述第二副产物。
2. 根据权利要求1所述的方法,其中所述第一副产物和所述第二副产物选自包含蒸汽、热和气态排放物的组,所述气态排放物包括CO2、硫的化物和氮的氧化物中的一种或多种。
3. 根据权利要求2所述的方法,其中所述第一副产物包括蒸汽和热中的一种或多种,所述第二副产物包含气态排放物,所述气态排放物包括CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的一种或多种。
4. 根据权利要求3所述的方法,其中与独立操作三种或更多种能源生产技术的情况相比,操作经整合的能源生产技术降低了所述三种或更多种能源生产技术中的至少一种的操作成本。
5. 根据权利要求4所述的方法,其中操作经整合的能源生产技术包括,与独立地操作所述三种或更多种能源生产技术的情况相比,降低CO2、硫的氧化物或氮的氧化物中的至少一种的浓度。
6. 根据权利要求5所述的方法,其中所述三种或更多种能源生产技术中的至少两种的位置彼此紧邻。
7. 根据权利要求6所述的方法,其中所述三种或更多种能源生产技术选自包括以下各项的组:电厂、核电厂、煤制液体燃料设施、煤制气体燃料设施和生物反应器。
8. 根据权利要求7所述的方法,其中利用所述第一副产物包括在化学反应中使用所述第一副产物来产生所述第二能源生产技术中的燃料气体,且利用所述第二副产物包括在生化反应中使用所述第二副产物来生长有机物。
9. 一种生产能源的方法,包括:
整合发电设施、质原料气化设施和生物反应器设施以生产电液体燃料生物质

运用所述设施中的一个或多个设施的副产物来帮助进行所述电力、所述液体燃料和所述生物质中的一种或多种的生产。
10. 根据权利要求9所述的方法,其中所述发电设施的废热、废蒸汽和气态排放物中的至少一种用在所述碳质原料气化设施中来帮助进行液体燃料的生产。
11. 根据权利要求10所述的方法,其中来自所述碳质原料气化设施的气态排放物用于在生物反应器设施中帮助进行生物质的生产。
12. 根据权利要求11所述的方法,其中所述发电设施和所述碳质原料气化设施的气态排放物用于在生物反应器设施中帮助进行生物质的生产。
13. 根据权利要求9所述的方法,其中隔离所述副产物的一部分供以后使用。
14. 根据权利要求9所述的方法,其中所述发电设施包括燃煤发电设施、核发电设施、垃圾焚烧炉、等离子焚烧炉、汽蚀处理装置和热解反应器中的一种。
15. 根据权利要求14所述的方法,其中所述燃煤发电设施包括一种具有空气分离单元的联合循环气化炉与锅炉
16. 根据权利要求14所述的方法,其中所述热解反应器为碳质原料气化设施提供焦炭
17. 根据权利要求9所述的方法,其中至少所述发电设施和所述碳质原料气化设施的位置彼此紧邻以降低操作成本。
18. 根据权利要求9所述的方法,其中所述副产物包括蒸汽、热、CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的一种或多种。
19. 根据权利要求18所述的方法,其中与不整合所述发电设施、所述碳质原料气化设施和所述生物反应器设施的情况相比,整合所述发电设施、所述碳质原料气化设施和所述生物反应器设施降低CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种的浓度。
20. 根据权利要求9所述的方法,其中所述碳质原料气化设施包括液化处理装置,煤浆被导入所述液化处理装置。
21. 根据权利要求20所述的方法,其中所述液化处理装置将一部分煤浆转化为合成原油
22. 一种能源生产方法,包括:
在第一能源生产技术中产生第一能量和第一副产物;
运用所述第一副产物的至少一部分在第二能源生产技术中产生第二能量和第二副产物;和
运用至少一部分第三副产物在第三能源生产技术中产生第三能量和第三副产物,其中,所述第一副产物、所述第二副产物和所述第三副产物包括CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种,且
其中与所述第一副产物和所述第二副产物没有被这样运用的情况相比,运用所述第一副产物和运用所述第二副产物降低了释放到大气中的CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种的浓度。
23. 根据权利要求22所述的方法,其中利用所述第一副产物和利用所述第二副产物降低了所述第一能源生产技术、所述第二能源生产技术或所述第三能源生产技术中的至少一种的操作成本。
24. 根据权利要求22所述的方法,其中所述第一能源生产技术、所述第二能源生产技术和所述第三能源生产技术选自包括以下各项的组:发电厂、煤液化设施、煤气化设施和生物反应器。
25. 根据权利要求22所述的方法,其中所述第一能源生产技术、所述第二能源生产技术和所述第三能源生产技术中的至少两种的位置彼此紧邻。
26. 根据权利要求22所述的方法,其中所述第一能源生产技术包括气化炉锅炉,且废气被导入所述气化炉锅炉。
27. 根据权利要求22所述的方法,其中所述第二能源生产技术包括Fischer-Tropsch反应器,且氢原料被导入所述Fischer-Tropsch反应器。
28. 根据权利要求22所述的方法,其中所述第一能源生产技术包括核电厂,所述第二能源生产技术包括等离子气化炉,来自所述核电厂的废蒸汽被导入所述等离子气化炉。
29. 根据权利要求28所述的方法,其中天然气和废气被导入所述等离子气化炉。
30. 根据权利要求22所述的方法,其中所述第一能源生产技术是生产电力的发电厂,所述第二能源生产技术是生产液体燃料的煤液化设施,所述第三能源生产技术是生产生物燃料的生物反应器。
31. 一种能源生产方法,包括:
操作经整合的能源生产设施,所述整合的能源生产设施包括至少三个彼此流体地联接着的个别式能源生产设施,每个所述的个别式能源生产设施都产生能量并且排放出包括CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种的副产物,其中操作整合的能源生产设施包括运用至少一部分所述的副产物来生产能量,和
释放一部分所述副产物到大气中,CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种在释放部分中的浓度比没有整合所述个别式能源生产设施情况下的浓度更低。
32. 根据权利要求31所述的方法,其中所述的个别式能源生产设施选自包括以下各项的组:发电厂、煤气化设施、煤液化设施和基于生物技术的设施。
33. 根据权利要求31所述的方法,其中与没有整合所述三个个别式能源生产设施的情况相比,操作经整合的能源生产技术降低了所述三个个别式能源生产设施中的至少一个的操作成本。
34. 根据权利要求33所述的方法,其中使所述三个个别式能源生产设施中的至少两个的位置彼此紧邻以进一步降低操作成本。
35. 根据权利要求31所述的方法,其中释放部分所述副产物到大气中包括电动碳排放分离。

说明书全文

能源生产的环保方法及系统

[0001] 相关申请的交叉引用本申请要求2008年7月18日提交的美国临时专利申请No. 61/129,787和2009年2
月17日提交的美国专利申请No. 12/379,249的优先权,上述申请的内容以引用的方式并入本文。

技术领域

[0002] 本发明一般涉及能源生产的环保方法和系统,更具体地涉及一种通过将某几种能源生产技术结合在一起来减少能源生产对环境的影响的协作方法。

背景技术

[0003] 现代文明在很大程度上依赖于质材料来生产能源。这些碳质材料包括用在燃烧发动机中的燃料和用在发电设备中的及其它燃料。由于近期诸如中国和印度等新兴国家对于燃料的需求的不断增加,而原油产量又是有限的,所以液体燃料价格已出现了大幅度的上涨。为了增加液体燃料的产量,需要低成本的替代生产方法来满足不断增加的需求。许多国家都有大量可用的碳质原料,这些碳质原料可用于电生产和燃料的生产(本文中统称为能源生产)。较常见的碳质原料之一是常用于发电的煤炭。但这种原料在常规能源生产技术中的使用会对环境产生不利影响。
[0004] 在美国发现的最丰富的碳质原料之一就是煤。根据一些估计,美国的煤炭总量预计以目前的消耗速率可以维持250至300年。在美国,煤炭燃烧发电占全国一半以上的电量。当用于发电时,煤通常被粉碎、并在带有锅炉炉膛中燃烧。炉膛热量将锅炉转化为蒸汽,然后蒸汽用于使涡轮机旋转或自旋,涡轮机可以转动发电机来发电。煤也可以通过通常称为煤气化的过程转化为气态燃料。在煤气化过程中,煤分子一般经受高温和高压、并使用蒸汽和经测定量的而被分解成分子量较小的分子。这个过程导致了气态燃料的生成,这种气态燃料称作合成气体或合成气。合成气是主要由一氧化碳(CO)和氢(H2)组成的混合物,且可作为燃料使用。煤也可以由几种不同的众所周知的工艺(例如,Fischer-Tropsch工艺、Bergius工艺、Karrick工艺及其它)进行液化为液体燃料(如汽油、柴油等)。在这些方法中的一些方法中,在催化剂存在的情况下,使得合成气或浆料经受不同的温度和压力条件,从而生产出不同类型的液体燃料。
[0005] 当煤被燃烧用以生产电力、被气化以生产气态燃料、或被液化以生产液体燃料时,它就会释放温室气体(GHG)到大气中,温室气体诸如二氧化碳(CO2)和其它有害污染物,如硫的氧化物(SOx)和氮的氧化物(NOx)。由于对全球变暖加剧的担忧,减少释放到大气中的温室气体量的压力也有所加大。一种用来减少释放到大气中的温室气体的建议方法是将气体排放物隔离在地下储存设施中。但地下储存CO2和其它排放物将会增加成本并产生有关可能从地下岩层中发生泄露、或可能污染水源的问题。
[0006] 本发明针对的是在克服上述缺点和/或现有技术中的其它缺点的情况下生产能源和燃料的有所改进的方法和系统。

发明内容

[0007] 一方面,本发明涉及能源生产的工艺。所述工艺包括整合三种或更多种能源生产技术,从而使得第一能源生产技术的第一副产物应用于第二能源生产技术,且第二能源生产技术的第二副产物应用于第三能源生产技术。所述工艺还包括实施整合的能源生产技术来生产能源,从而使得至少一部分第一副产物运用于第二能源生产技术的操作中,且一部分第二副产物运用于第三能源生产技术的操作中。
[0008] 另一方面,本发明涉及一种用于生产能源的工艺。所述工艺包括整合发电设施、碳质原料气化设施和生物反应器设施以生产电力、液体燃料和生物质。所述工艺还包括运用一个或多个所述设施的副产物来协助生产电力、液体燃料和生物质中的一种或多种。
[0009] 在又一方面,本发明涉及一种能源生产的方法。所述方法包括在第一能源生产技术中生产第一能量和第一副产物,以及在第二能源生产技术中运用至少一部分第一副产物来生产第二能量和第二副产物。所述方法还包括在第三能源生产技术中运用至少一部分第三副产物以生产第三能量和第三副产物。第一副产物、第二副产物和第三副产物包括CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种。与不这样利用第一副产物和第二副产物的情况相比,利用第一副产物和利用第二副产物降低了释放到大气中的CO2、硫的氧化物或氮的氧化物中的至少一种的浓度。
[0010] 另一方面,本发明涉及能源生产的方法。所述方法包括操作整合的能源生产设施,整合的能源生产设施包括至少三个彼此流体联接的个体式能源生产设施。每个个体式的能源生产设施都生产能量,并排放出包括CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种的副产物,其中操作整合的能源生产设施包括运用至少一部分副产物来生产能源。该方法还包括释放一部分副产物到大气中,CO2、硫的氧化物和氮的氧化物中的至少一种在释放部分中的浓度比没有经整合的个体式能源生产设施的情况下的浓度要低。附图说明
[0011] 合并入本说明书并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例
[0012] 图1是使用三种整合能源生产技术(EPT)的示例性的进行能源生产的环保方法的示意图;图2是可以用作图1的整合技术之一的示例性EPT的示意图;
图3是显示可以用作与图2的EPT整合的图1的整合技术之一的另一示例性EPT的示意图;
图4是显示可以用作与图3的EPT整合的图1的整合技术之一的另一示例性EPT的示意图;
图5是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的发电设施的示意图;
图6是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的粉煤燃烧发电厂的示意图;
图7是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的煤发电设施的另一实施例的示意图;
图8是显示三种整合能源生产技术的一个实施例的示意图,其中一些副产物被隔离;
图9是显示与煤制油(CTL)设施和基于种子作物的生物质发电设施整合的热解反应器设施的示意图;
图10是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的基于垃圾焚烧炉的发电设施的示意图;
图11是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的基于等离子焚烧炉的发电设施的示意图;
图12是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的基于汽蚀处理的能源生产设施的示意图;
图13是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的利用废气的能源产生设施的示意图;
图14是显示与使用氢原料的煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的发电设施的示意图;
图15是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的核发电设施的示意图;
图16是显示与煤制油(CTL)设施和基于生物技术的能源生产设施整合的运用碳排放分离单元的煤电厂的示意图;和
图17是显示与碳液化处理单元和基于生物技术的能源生产设施整合的煤电厂的示意图。

具体实施方式

[0013] 现在将参考公开的示例性的实施例,实施例中的实例在附图中示出。在可能的情况下,在整个附图中用相同的附注标号指代相同或类似的部件。
[0014] 图1示出示例性的能源生产的环保方法的示意图。一般情况下,能源生产技术(EPT)100、200和300可以是用来生产能源的任何已知的技术以及可作为本发明的一部分而使用的未来技术。由能源生产技术生产的能量可以包括电力、或可用来产生能量和做功的任何类型(固体、液体和气体)的燃料(诸如:汽油、喷气燃料、LPG、丙烷等)。EPT 100、200和300的非限制性例子可包括煤电厂、煤气化厂、煤制油(CTL)设施、炼油厂、核电厂、生物反应器、垃圾焚烧发电设施、等离子焚烧发电设施和汽蚀处理设施。
[0015] 输入112可被引导到EPT 100内以产生能量114。在由输入112产生能量的过程中,EPT 100可能还会释放出副产物116。这些副产物可包括排放物(如CO2、NOx、SOx等)和在EPT 100过程中可能产生的固体或液体物质。副产物116可包括硫的氧化物及氮的氧化物。例如,在EPT 100是通过燃煤发电的煤电厂的实施例中,输入112可包括分别被引导入煤电厂的炉膛和锅炉内的煤和水。煤可以在炉膛中燃烧以在锅炉中产生蒸汽。该蒸汽可驱动与发电机联接的一个或多个涡轮机以产生电力。在此实例中,由这些发电机产生的电力将会是能量114。释放到大气中的废热和蒸汽、由于煤的燃烧而产生的固体灰、烟气将会构成煤电厂的副产物116。
[0016] 这些副产物116的一部分118可作为固体废物和排放物被分离,而其余部分122可被导入EPT 200、导入EPT 300或导入这两者中。副产物的分离部分118的若干部分可用于其它工艺过程中或被弃入大气。虽然没有在图1中清楚地显示,但一部分副产物116也可再循环回到EPT 100。在煤电厂的实施例中,分离的部分118可包括由于煤燃烧而产生的灰和其它固体废物,并且被导入EPT 200内的剩余部分122可包括煤电厂产生的一部分或所有的烟气和废热以及蒸汽。一部分废蒸汽和热可重新用于煤电厂来提高生产效率或最小化煤电厂所消耗的能量。在这种情况下,重复利用的部分可形成副产物116的再循环部分。在本发明的另一个实施例中,分离部分118中的一部分灰可被回收并用于生产建筑材料和其它类似产品。
[0017] 在一般情况下,可把由EPT 100产生的副产物的任何部分导入EPT 200或EPT300,只要所得到的组合能提高能源生产的效率,或者能减少有害副产物向环境中的释放即可,优选这两条都能达到。优选地,对于导入到不同EPT的副产物的百分比进行优化以实现用户的目标。这些目标和优化将取决于多种因素,包括EPT的具体特征、替代能源的商业成本、政府规定和环境问题。在一些实施例中,可以把基本上所有的副产物116导入其它EPT,如EPT 200。
[0018] 除了从EPT 100(剩余部分122)提供给EPT 200的副产物外,输入126也可被导入EPT 200以生产能量134。除了能量134外,副产物136也可由EPT 200产生。这些副产物136的一部分138可以被分离,剩余部分142可被导入EPT 300或EPT 100。分离部分138的一部分可用于生产其它产品,其它部分可被丢弃。与EPT 100的副产物116一样,一部分副产物136也可被再循环并用于EPT 200(图1中没有示出)。
[0019] 除了剩余部分142外,输入146也可被导入EPT 300。EPT 300可使用输入146和剩余部分142来生产能量154并生成副产物158。和副产物116和136的情况一样,部分副产物158可被捕集以生产其它产品、再循环返回EPT 300、被弃或导入其它能源生产技术。应该强调的是,虽然图1中只示出三个EPT,但本发明的实施例可包括联接在一起、或以其它方式整合的任意数目的EPT,以利用由其它EPT生成的副产物的至少一些部分来生产能量。
[0020] 如前所述,能量114、134和154可以是能直接用于产生机械功形式的,或者可以是能燃烧(或以其它方式使用)产生功的燃料源。例如,在EPT 100是煤电厂且EPT 200和300分别是煤制油(CTL)设施和生物反应器的实施例中,由EPT 100产生的能量114可以是电力,由EPT 200产生的能量134可包括各种液态和气态形式的燃料,由EPT 300产生的能量154可包括食物储备和/或不同形式的燃料。在生产的能量是食物源的情况下,这种食物源可被人或动物消耗以生成能量和做功;在生产的能量是燃料的情况下,这种燃料可在随后的过程中燃烧(或以其它方式处理)以做功。
[0021] 虽然图1示出了以串行的方式联接在一起的EPT 100、200和300,但也可设想其它的整合配置。例如,可以将来自EPT 100、200和300的部分副产物116、136和158导入任何或所有的EPT 100、200和300。由于EPT的整合及利用由其它EPT过程中的一个EPT产生的部分副产物的原因,可以减少释放到大气中(或以其它方式废弃)的副产物的一些成分。例如,通过整合EPT 100、200和300,释放到大气中的温室气体CO2的总量优选低于若EPT 100、200和300独立运行(即,没有被整合)时会释放的CO2总量。类似地,通过将来自一个系统的能源应用来供给另一系统,可减少用来操作所述系统所需的输入总量。例如,系统100(如煤电厂100)中产生的过度的热量和/或压力可应用于系统200(如煤制油燃料系统200),从而减少若是以别的方式运行系统200所需的能量输入。当系统300包括生物反应器时,其应用的部分能量可以是太阳能,从而可利用现成且丰富的能源。此外,当系统300包括生物反应器时,来自系统100和200中之一或两个系统的副产物(如CO2、硫的氧化物和氮的氧化物)可应用于生物反应器。
[0022] 以下各段描述了所公开的能源生产的环保方法的一些示例性的实施例。这些实施例仅用于更好地描述并突出本发明的各个方面,并不旨在详尽列举可能的实施例。
[0023] EPT 100可以是利用煤燃烧的热量产生电的煤电厂。图2是示出EPT 100运行的示意图。EPT 100可构建于允许工业用途并在某些情况下远离人口密集区的区域500中。区域500可具有充裕的煤和水的供应、以及具有被配置为可将作为输入的煤和水(112A和
112B)输送至EPT 100的基础设施。该基础设施可包括:粉碎机、和其它配置为可使煤变成适合EPT 100的形式并进入轨道及向区域500运送人员和原料的其它输送系统的设备。区域500还可利用能够将EPT 100与周边社区分开的大面积未利用的土地。
[0024] 煤电厂的操作是现有技术中众所周知的,因此本文不详述EPT 100的操作。在一般情况下,EPT 100可在炉膛中燃烧输入的煤112A以将锅炉中的水(输入112B)烧开,从而产生蒸汽。该蒸汽可用于旋转联接于产生电力的发电机上的涡轮机。此电力可用于给其所联接的电网供电。在一些情况下,由EPT 100产生的电力可以不是恒定的,而是可根据需要随时间变化。例如,EPT 100的发电量可在电网高峰消耗量时较高,而在消耗量降低时较低。在一些这样的情况下,较为经济的是以较高的速度乃至恒定的速度来操作炉膛和锅炉,并在需求减少的时候使一些蒸汽绕开涡轮机。在这些情况下,可不将所有由锅炉产生的蒸汽用于旋转所述涡轮机,一些蒸汽(和热)可绕流或被废弃。在本发明的应用中,将这些未使用的蒸汽(热)应用于其它EPT,从而节约能量并提高运行效率。
[0025] 在旋转涡轮机后,蒸汽可以在冷凝器凝结成水,并在闭合回路中再循环返回锅炉。EPT 100还可包括可用于使冷凝器中的蒸汽冷凝的循环冷却水系统。该冷却水系统可将来自区域500上的水源(如溪流、河、湖或其它类似水体)的凉水循环过冷凝器并使得排出温水返回至水源。炉膛中煤的燃烧可产生诸如CO2、NOx、SOx和残灰或炉渣这样的燃烧产物。这些燃烧产物连同在EPT 100中废弃的蒸汽和热量一起可形成EPT 100的副产物116。这些副产物中的一些(如CO2、NOx和SOx)可能会对环境有害,可由各级政府来管制。这些有害成分的排放也会使人们在政治上很难成功地获得建立新工厂所必需的政府或公众的批准或认可。为了降低副产物116中的这些受管制的物质的浓度,可以采用诸如防漏和/或洗涤之类的过程作为EPT 100的一部分。然后可以将副产物116释放到大气中。
[0026] 图3示出可联接于区域500中的煤电厂的EPT 200的示意图。EPT 200可以是利用间接气化或直接溶剂萃取法来液化煤以生产不同类型燃料油(通常称为合成燃料)的CTL工厂。用直接(如按照Bergius工艺的那些)和间接(如按Fischer-Tropsch工艺的那些)CTL设施的用来由煤生产合成燃料的操作是现有技术中众所周知的,因此本文中不提供这些方法的详细说明。本文描述可受整合EPT 100和200影响的CTL工艺的细节。EPT 200可设置在区域500中,从而利用已建立的EPT 100的基础设施和物流支持。区域500中大量的闲置空间和区域500中既有的煤水供应可降低EPT 200的实施成本。此外,利用现有的基础设施(如煤和水的输送系统等)和EPT 200的占用土地可容易地确保所需的政府批准并减少开发CTL设施的公众阻力。在一个实施例中,EPT 100和EPT 200的位置彼此紧邻,并靠近煤源和水源。
[0027] 煤和水可作为输入126A、126B被导入EPT 200。通过将EPT 200设置于区域500中,EPT 100的输入112A的源和EPT 200的输入126A的源可以相同,EPT 100的输入112B的源和EPT 200的输入126B的源可以相同。EPT 100的副产物116也可以被导入EPT 200。在一些实施例中,如参考图1所讨论的那样,可以只将副产物116的一部分(例如,图1中的
122部分)导入EPT 200。
[0028] 在EPT 200内,输入到EPT 200中的煤(输入126A)可以遵循已知的煤制油过程转化为一氧化碳和氢气的混合物(称为“合成气”)。这一转化过程涉及煤和受控量的蒸汽在高温下的反应。按照本发明,这一反应可利用来自EPT 100的废热和蒸汽作为部分所需的能量将煤转化为合成气。副产物116中的水分含量也可以在EPT 200中被转化为其组成成分氢和氧。在一些实施例中,通过应用来自EPT 100的副产物116中的一些或全部的CO2作为对EPT 200的额外输入,可进一步提高EPT 200的合成气产量。该CO2可通过诸如逆水气变换反应这样的已知过程或通过使用基于胺的溶剂被还原为一氧化碳。可用于将副产物116中所含的CO2转化为烃的工艺的一些例子在美国专利公开2007/0244208(Shulenberger等人)和WIPO公开WO/2006/006164中有所描述。这些专利公开以引用的方式并入本文。
[0029] 对于间接CTL,可以通过诸如Fischer-Tropsch (FT)工艺的已知工艺方法将产生的合成气转化成烃燃料和其它化学产品。在此方法中,可以在金属催化剂存在的情况下使煤气化(和副产物116中的CO2的还原)所产生的合成气经受高的温度和压力。根据温度、压力和所使用的催化剂情况,合成气可以被转化成各种形式的液态烃,例如,喷气燃料134A、汽油134B和柴油134C。利用CTL工艺的液体燃料的生产也产生CO2和诸如NOx和SOx的其它有害污染气体。在一些实施例中,可将EPT 200产生的副产物136的一部分再循环返回至EPT 200,或者也可以将其用于发电。此外,EPT 100产生的电力可为EPT 200的各系统提供电力,这样可减少耗电量。也可将多余的电力转移至电网。至少一部分副产物136可应用于EPT 300,如以下详述。
[0030] 在EPT 200的过程中利用EPT 100的副产物116,这样可通过减少产生用于过程中的热和蒸汽所需的燃煤量,使EPT 200的能源生产过程更有效。如前所述,在本发明的一些实施例中,EPT 200也可以配置为将副产物116和136中的一部分CO2转化为烃基燃料。在这种情况下,由于废CO2转化为有用的燃料,所以可以进一步提高EPT 200的效率。此外,CTL工厂(EPT 200)利用现有煤电厂(EPT 100)的基础设施和物流支持可降低CTL工厂的实施成本并减少可能为确保必要的政府批准而不得不花费的财力。此外,由于CO2是一种已知的温室气体,减少EPT 100和200的大气排放物中的CO2含量可产生碳信用额度形式的额外节约,获取公众的支持,并提供有价值的公关机会。
[0031] 可通过额外的燃烧、等离子发生器、汽蚀微波声波核反应堆以及各种其它加热技术来实现任何可能在EPT 200中所需的额外的加热。一些废料和副产物136的排放物可能不适合电力生产或液体燃料生成。这些物质可以作为原材料被收集和出售,或者可以以适当的方式处置。如果副产物136中的这些成分的浓度超过了规定量,则可以按适当的方式隔离和/或处置这些成分。
[0032] 图4示出可以在区域500中与煤电厂(EPT 100)和CTL设施(EPT 200)整合的EPT 300的示意图。EPT 300可包括基于生物技术的能源产生设施。EPT 300可包括生长和使用用于生成不同类型能量的植物物质的任何类型的能源生产设施。虽然EPT 300可包括将任何类型的植物物质转化为能量的设施,但是在以下的描述中,EPT 300将被描述为一个基于微型藻(绿藻)的生物反应器。微型藻是在水性环境中生长的微观单细胞植物。像传统的农作物一样,微型藻也需要阳光、水和CO2才能生长。然而,在一般情况下,微型藻单位面积的产量可显著地高于传统的农作物(例如,高出10到100倍),低品质的水即可用于种植微型藻。
[0033] 微型藻可通过俗称固碳或碳固定的过程将CO2(和NOx)从烟气中移除。在所示的实施例中,把来自EPT 100的副产物(或排放物)送入EPT 200,然后把来自EPT 200的副产物送入EPT 300。在本发明中,可以把所有或部分来自EPT 100和200之一或该二者的副产物直接或间接送入EPT 300。存在于副产物中的CO2和NOx可刺激藻的生长。在图4所示的实施例中,副产物116和136中的CO2(和NOx)可在一系列刺激微型藻生长的生化反应(Calvin循环和Krebs循环)中转化为有机化合物。用微型藻进行能源生产在现有技术中是众所周知的,因此本文中只描述那些有助于描述所公开的能源生产的环保方法的过程细节。
[0034] EPT 300可包括生长微型藻并使用由微型藻生成的生物质来生产能量和其它产品的藻场。EPT 300的微型藻可在区域500中生长。在一些情况下,煤电厂和CTL设施周围的土地可能是不适合传统的粮食栽培的贫瘠土地。然而,许多微型藻物种可以被改造成能在区域500的生态系统和水中良好地生长。利用不支持微型藻培养的传统耕作的土地可实现利用EPT 300进行能源产生,同时对食品市场的影响最小。EPT 200的副产物136的气态成分可被送至EPT 300,并通过生长微型藻的生物反应器鼓泡。微型藻可以消耗副产物136中的CO2和NOx并释放氧154E和水。
[0035] 释放的水可以导回至区域500的水源,或者可以回收并用于生物反应器设施。产生的氧154E可释放到大气中、装瓶或作为输入导至另一个EPT中。例如,可以将氧154E导至煤电厂的炉膛中帮助煤燃烧。也可以把氧导入CTL设施的气化或者液化过程中来帮助在此发生的化学反应。也可以设想用释放的氧来交易换取碳信用额度。
[0036] 可收获微型藻来生产生物质。这种生物质然后可被加工以提取油。可采用任何已知的方法从生物质中提取油。在一些实施例中,可以选择或改造EPT 300中生长的微型藻的物种来提高微型藻的含油量。由于很多种微型藻的含油量高于其质量的50%,所以可以专挑选出EPT 300的微型藻来生产大量的油。从生物质中提取的油可加工并精炼为各种类型的燃料,如喷气燃料154C和生物柴油154D。任何可能在提取过程中产生的排放物可再循环返回到生物反应器当中。在一些实施例中,可以分离这些排放物和/或收获的生物质中所含的水。可以把这种分离的水导向区域500中的水源,或者可将其用于发电设施。
[0037] 在进行完油提取后,剩余的生物质可用于制造乙醇154B。可采用现有技术中已知的任何方法由残余的生物质制造乙醇154B。在示例性的技术中,可将生物质与水混合来产生可以用各种酶来处理以将生物质转化为单糖的糖化醪。然后可以用可将糖转化为乙醇154B和二氧化碳158A的酵母来处理糖化醪。排放的二氧化碳158A可导回到生物反应器当中。可分离任何在此过程中产生的多余的水并将其导回至区域500的水源,或用于发电设施。可进一步蒸馏乙醇154B以生产燃料和诸如饮料的产品。可以干燥乙醇提取后剩下的固体副产物并将其转变成原料154A的颗粒。任何没有在EPT 300中消耗或应用于其它EPT 100或200中的副产物158都可释放到大气中。
[0038] 一般情况下,可根据需要变更EPT 300生产的油154C、154D、154E、乙醇154B和原料154A的相对量。在一些实施例中,为了提高原料154A的营养价值或能量含量,可以去除乙醇提取步骤,并且可将油提取之后的生物质残留物干燥成原料154A颗粒。在又一个实施例中,也可以去除油提取步骤,可以干燥从生物反应器中收获的生物质并使之形成为原料154A。在一些实施例中,可以将从生物反应器中收获的生物质转化成固体燃料(如绿色煤)而不是原料154A。这种绿色煤可作为燃料出售或者可作为燃料用在EPT 100和/或EPT
200中。
[0039] 在一般情况下,EPT 300的规模和区域500中的微型藻养殖量可取决于可能需要从副产物中清除的CO2、NOx和/或SOx的量、可供微型藻培养的土地以及应用的经济性。在一些实施例中,EPT 300的规模只大到足以将副产物158中的CO2、NOx或SOx之一减少到低于可接受的限度,如政府管制的限度或公众舆论容许的限度。在其它实施例中,EPT 300的规模可大到足以大幅度地减少EPT 100、200和300向大气中排放的所有CO2、NOx和SOx的量。在所有的实施例中,一些或所有由整合的EPT 100、200和300释放到大气中的CO2、NOx和SOx的总量优选低于EPT 100、200和300独立运行时会释放的量。EPT 100、200和300的整合方式优选为可以将整合系统的排放量减少到远低于政府和/或工业标准,同时仍然能以具有商业竞争力的定价提供能源输出。
[0040] 虽然在某些情况下,如果EPT 100、200和300共同位于区域500中,可能会有显著的效益,但这不是规定的要求。在一些实施例中,电厂的相关条件可能需要EPT 100、200和300位于不同地点。在这些情况下,仍然可以通过将一个EPT的副产物运输(如,通过管道或放在容器中)到另一个EPT中来实现EPT 100、200与300之间的整合。
[0041] 通过整合电力生产设施、气化/液化燃料生产设施以及控制生物质排放,有可能实现在减少有害排放物的同时,利用现有的发电基础设施来提高燃料供应。据信基于生物技术的能源生产技术(此项技术现在还处于相对不成熟的阶段)将继续得到改进,提高这些技术结合的效率和成本效益。此外,根据本发明的方法和系统可使用其它发电系统(如核电厂)而不是煤电厂。例如,核系统中产生的一部分热和/或压力可作为能量输入应用于EPT200。有毒气体的产生由此减少,因此实现消除更多由给定规模的EPT 300产生的CO2废气。
通过整合现有的和未来的生物技术与相对成熟的EPT(如煤电厂、核电厂和CTL设施),可提高生物技术的效率和成本效益。随着生物质生产和污染控制的生物技术的发展,可以实现自给自足的整合能源生产系统,它能够基本上或甚至完全消除有害排放物并产生足够的绿色煤以供应基于原煤的电厂。
[0042] 以下段落和图5-17示出在前面段落中讨论的能源生产的整合方法的一些实施例。为叙述简便起见,只对那些与前面描述的实施例不同的实施例的方面进行讨论。图5是通过整合EPT 100与CTL设施(EPT 200)和基于生物技术的能源生产厂(EPT 300)而实现能源生产的环保方法的另一实施例的示意图。EPT 100可以是任何可具有至少以下之一的发电设施:废热3、蒸汽4或排放物2,这些可被传送到下游的EPT。在这个实施例中,将所有或一部分来自EPT 100的热量3、蒸汽4或排放物2中的一种或多种应用于气化系统5。额外的输入可作为其它过程6的原料传送给系统5。原料也可以包括碳质材料、氢或过程可能需要的任何其它原材料。
[0043] 可以对废产物和传送到EPT 200的原料进行加热和加压使原料气化为它们的基本成分(包括CO和H2)。然后可以在室7和10中通过各种Fischer-Tropsch (FT)过程对这些基本成分进行处理并制成所需的烃和化学产品11。所得副产物136的一部分136A可回收,用于在发电机9中进行额外发电,并且136B部分可送回至气化过程5。发电机9可包括任何已知的利用可燃气体和热量来发电的发电设备。例如发电机9可包括例如内燃机和涡轮发动机。没用于烃生产或气化的多余废料和气体可以被分离(副产物142)并存储或导入到EPT 300内。
[0044] EPT 300可包括生物反应器13。生物反应器13可以是为生长特定生物实体(如微型藻)而设计的任何类型的反应器。除了副产物142外,也可以把生物质原料15形式的原材料(如种子或培养基)导入生物反应器13。如图所示,在这个实施例中,来自电力设施1和气化系统5的排放物都被应用于生物反应器13。也可把光照和养分连同生物质原料一起提供给生物反应器13,以促进生物质生长。反应器13中的生物质可通过光合作用消耗排放物和营养物以生长并产生额外的生物质18。然后收获该生物质18并作为食物(或原料)存储或用于另外的处理来生产多种产物19。所得副产物中的一些,例如,清洁排放物(如氧气)和水16,可以是合乎环境要求地安全的,因此可以释放到环境中。可以按适当的处理方法来捕集和处理没有排入大气中的副产物。
[0045] 图6示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。在图6的实施例中,可通过常规装置将煤运输到粉碎机21中,并准备在利用干净水28和氧26燃烧粉煤的联合循环气化炉与锅炉29中使用。氧可由大气的空气23提供,通过可以分离氮25与氧26的空气分离单元24来分离。氮的分离可减少由于燃烧煤而形成的NOx排放量。
[0046] 煤的燃烧可以描述为:CxHy + O2 → COx + H2O + 热量。煤中存在的硫(S)和氮(N)可在排放物中产生SOx和NOx。其它杂质和重金属可导致在燃烧过程中形成各种类型的炉渣30和炉灰32。这种炉渣30和炉灰32可沉积在气化炉底部,并可以被分离和储存。气化炉中的管道可容纳水,这些水可受热并形成蒸汽34。这些蒸汽可用于旋转蒸汽涡轮机35的叶片。涡轮机35可连接于能产生电力的发电机36。然后产生的电力可被运送到可以将电力升压并供应给电网38的变压器37。由此过程产生的电力还可用于需要电力来运行或监控的子过程和装置。
[0047] 来自气化炉锅炉的剩余排放物39可能含有碳氧化物(COX)、硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、水(蒸汽形式的H2O)以及少量的汞(Hg)和微量的其它来自煤的杂质。这些化合物和元素通常处于高的温度和压力下。它们可以穿过典型的酸气脱除单元40以从排放物中分离SOx。然后可以处理排放物以分离并储存硫。硫已被脱除后,可将剩余的合成气43导入FT反应器46中,以被处理成各种化学品和烃。如果需要额外的热量或蒸汽,可使用来自蒸汽涡轮机35的废热和蒸汽45。可通过已知的管道方法或其它装置实现从蒸汽涡轮机35提取废热和蒸汽并运输至FT反应器46。
[0048] EPT 200的FT反应器46可以含各种催化剂以将合成气转化为各种所需产品。可以分离和储存重化学品47。一经存储,它即可以作为原料来出售或处理。较轻的构成物和烃可被处理成各种等级的燃料50。这些燃料可以被分离并转移到储罐52中。这些储存设施可位于处理设施的附近或者可以通过管道向主要燃料分布位置转移。一些从FT反应器46所得到的气体可被导入一个或多个燃气涡轮机93,以使这些热的高压气体膨胀。这些涡轮机93可旋转发电机94来产生更多的电力,这些电力也可通过变压器37升压并提供给电网38。然后可以将来自涡轮机93的排放物53导入到生长着微型藻或其它合适的生物体的生物反应器54。
[0049] 可以使在生物反应器54中使用可能太热的排放物53穿过管道运行来加热生物反应器54的设施、并维持温度条件适合于微型藻的生长。冷却到适当温度的排放物53可以通过生物反应器54鼓泡。排放物53中未有的原料藻和藻类营养物质可随同干净水戓废水57供给到生物反应器54中。在白天有阳光可以使藻进行光合作用。在晚上或光照低的时候,可用来自EPT 100的发电机36的电力照着生物反应器54。
[0050] 一旦由于藻的生长使水达到一定的硬度或稠度(consistency),则可以使水流过清除单元,从而滤出藻生物质58用于储存或另外进行处理59。这种藻可作为原料出售,或可进行脱脂62,以从所得藻粉62中分离出藻油。藻粉可利用各过程63的废热来干燥,并作为分离的产品64储存和出售。藻油60可储存在存储设备61中待出售或处理成各种类型的生物燃料。藻在生长时会产生氧。这种氧可与任何未消耗的排放物65化合以确保符合规定。所得富氧排放物也可被送回空气分离单元24或气化炉锅炉29。
[0051] 图7示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。除了图6的EPT 100代表可能没有整合空气分离单元且使用传统的锅炉进行燃烧的典型现有煤电厂之外,图7的实施例的方法类似于图6的实施例中的方法。这个系统可能需要将额外的热量提供给气化炉单元65以完全气化所提供的煤67。来自空气分离单元的排放物43和空气66或氧可随同粉煤67一起导入气化炉65。这种粉煤67可在气化炉65中燃烧。用于气化炉65和锅炉29的煤源可以是相同的。与图6中的系统相比,图7的EPT 200可产生更大量来自气化炉
65的排放物。在一些实施例中,可使用多个生物反应器54来处理这种更大量的排放物。
[0052] 图8示出所公开的能源生产环保方法的另一实施例。图8的实施例类似于图7的实施例,但可将EPT 200的FT反应器46的排放物53暂时隔离在罐69中用于分配。通过利用暂时隔离,有可能将排放物70转向多种用途。排放物的一些部分可转移到油田进行原油回收,而其它部分可作为输入导入生物质生产设施(EPT 300)。
[0053] 图9示出所公开的能源生产环保方法的另一实施例。除了在图9中的实施例中,热解反应器160用于碳质原料的低温碳化之外,图9的实施例类似于图8的实施例。当碳质原料经受接近或超过500℃的温度时,可以在材料中发生化学分解,生成燃气163与合成原油液162,并留下高碳含量的焦炭。这个过程通常被称为热解。燃气可分离为用于燃料处理的氢165和用于气化的轻气体164。焦炭161可用作气化炉的碳原料,或分离并储存为其它用途,如生产普雷塔土(terra preta),这是一种可以用在EPT 300中的生物质设施中的营养丰富的土壤。图9与图8的不同之处还在于:EPT 200的排放物53被导向使用种子作物而不是藻的生物质设施(EPT 300)。利用排放物的分配70,排放气体可以被分配在多个生长种子作物的温室设施72之间。在这些温室设施72中,可以用传统的农业方法使种子作物生长。CO2有利于植物的生长,因此将来自上游EPT的排放气体导向这些温室可促进种子作物的生长,同时减少CO2向大气中的排放。
[0054] 图10示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。除了在图10的实施例中用垃圾或废物焚烧炉77来烧开EPT 100中的水之外,图10的实施例类似于图9的实施例。在这个实施例中,焚烧炉77的废产物的燃烧热可产生驱动EPT 100的涡轮机35的蒸汽。当在填埋区掩埋的废弃物发生生物降解时,可能产生甲烷(另一温室气体)并排入大气。这种废弃物可作为EPT中的燃烧源。通过利用废产物的燃烧有可能减少甚至消除释放到大气中的甲烷气体。此外,通过燃烧EPT中的废物可以生产能量(电力或燃料)。如前所述,可以消除或减少在燃烧过程中产生的CO2。
[0055] 图11示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。除了用等离子焚烧炉78燃烧图11的EPT 100中的废产物之外,图11中所示的实施例类似于图10中所示的实施例。由于等离子焚烧炉是在较高温度下操作,所以有可能使废物流中可能存在的较多种物质气化而无需进行分离。
[0056] 图12示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。在图12的实施例中,汽蚀处理装置83可用在EPT 100中。汽蚀处理可采用煤浆82进行处理。可通过将水81或溶剂和其它液体与粉煤79混合来制备煤浆82。此煤浆82可送入汽蚀泵,所述汽蚀泵利用小微气泡的破裂释放的热量来产生热和压力。此热和压力可使浆中的煤转化为合成气43。浆的其它成分可作为固体废物84被分离。
[0057] 图13示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。在图13的实施例中,废气86也可导入EPT 100的气化锅炉29中。废气可以是化学处理产生的任何废气。除了各种其它烃成分外,废气还可以包含甲烷。通过在气化锅炉29中燃烧废气86可进一步减少GHG和污染物向大气中的释放。
[0058] 图14示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。在图14的实施例中,氢原料87也可被引入EPT 200的FT反应器46。这种额外的氢可以为烃(燃料50和化学品47)的形成创造富氢环境。这种氢原料87可通过现有技术中已知的方法来产生并传送到FT反应器46中。FT反应器46中氢的增加可提高由煤的分解形成的一氧化碳的量,也可以使增加量的CO2(包含在排放物中)还原为CO。增加的CO和H2量可以提高在FT反应器46中形成的合成气量。FT反应器46中多余的氢可因此提高EPT 200中的燃料产量。
[0059] 图15示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。在图15的实施例中,可以将来自核电厂88的废蒸汽34随同天然气89和废气86一起导入等离子气化炉44。天然气89和废气86可提供碳,来自核电厂的蒸汽34可提供烃的形成所需的氢。等离子气化炉44可将气体和蒸汽加热到FT反应器46所需的温度和压力。等离子气化炉44中的水套可产生能补充来自核反应堆88的蒸汽并用于旋转蒸汽涡轮机35的额外的蒸汽34A。然后可以将排出的蒸汽45作为氢原料导入气化炉44。
[0060] 图16示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。在图16的实施例中,电动碳排放分离装置90可用于脱除EPT 100的排放物39中的碳和水。从排放物39中脱除碳可减少从整合发电厂排入大气中的总CO2量。可用于电动脱除空气中的碳和二氧化硫的示例性方法描述在国际专利公开WO/2005/046877中,该专利以引用的方式并入本文。
[0061] 图17示出所公开的能源生产环保方法的另一个实施例。在图17的实施例中,制备煤浆82并将其导入直接催化或溶剂碳液化处理装置94。在被导入液化处理装置94之前,溶剂或催化剂可与浆82混合。液化处理装置94将浆82中的煤转化为合成的原油(“合成原油”),该合成的原油可被导入液体处理和清洁装置95。从液体中提取化学品和酸后,剩余的合成原油可被导入能生成各种燃料产品50的分离及分馏单元96。在可将这些排放物导入生物反应器54之前,可通过燃气涡轮机93和发电机94回收来自分离及分馏装置96的排放物中的一些废能量。
[0062] 从公开的实施例可以明显看出:现有的能源生产设施可以整合在一起来提高它们的操作效率,同时减少对环境有害的排放物。以一个能源生产设施的优势用于平衡另一个能源生产设施的缺点的方式将这些现有的能源生产设施整合在一起。通过整合多种能源生产技术,释放到大气中的对环境有害的GHG的总量会比单独运行这些能源生产技术(即,以没有整合的方式)所释放的GHG的总量要低。
[0063] 在不偏离本发明范围的情况下,对所公开的能源生产的环保方法做出各种修改和变化对本领域的技术人员而言将是显而易见的。参照说明书,其它实施例对本领域的技术人员而言将是显而易见的。说明书和实例仅被视为是示例性的,本发明的真实范围由以下权利要求书及其等价描述确定。
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