一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统

摘要

本发明公开了一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统；可以减少无效的碳排放，避免了能量的浪费和温室气体CH4的直接排放；可为天然气或页岩气井口开采设备进行供电，为无输电线路的偏远地区天然气或页岩气开采用电难提供了新的解决途径。包括通过管道依次连接的气体预处理装置、气体转化装置、气体变换装置、燃料电池发电装置，气体预处理装置用于对井口高压气体进行能量回收，并稳定气体压力，脱除气体中的杂质；气体转化装置用于将气体中的CH4转换为富含CO+H2的合成气；气体变换装置用于将合成气中的CO与水反应产生H2，以提高合成气中的H2的含量；燃料电池发电装置以富含H2的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。

权利要求

1.一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统，其特征在于：包括通过管道依次连接的气体预处理装置、气体转化装置、气体变换装置、燃料电池发电装置，所述气体预处理装置用于对井口高压气体进行能量回收，并稳定气体压力，脱除气体中的杂质；

所述气体转化装置用于将气体中的CH4转换为富含CO+H2的合成气；

所述气体变换装置用于将合成气中的CO与水反应产生H2，以提高合成气中的H2的含量；

所述燃料电池发电装置以富含H2的合成气作为原料，经过化学反应产生电能；

所述气体预处理装置包括通过管道依次连接的膨胀机/节流阀、气体净化塔、第一饱和塔，所述膨胀机/节流阀用于回收由气体的膨胀功，并稳定气体压力，所述气体净化塔用于去除气体中的杂质，所述第一饱和塔用于增加气体中的水含量；

所述气体转化装置包括通过管道依次连接的预转化塔、转化炉，所述预转化塔用于将天然气中的高级烃和部分CH4预先转化为CO和H2，所述转化炉用于将天然气中剩余的CH4转化为CO、H2和CO2；

所述气体变换装置包括通过管道依次连接的第二饱和塔、变换炉，所述变换炉用于将CO与水转换为CO2和H2，所述第二饱和塔用于增加气体中的水含量，通过水含量控制变换的程度；

燃料电池发电装置包括通过管道依次连接的脱碳塔、燃料电池组，所述脱碳塔用于脱除CO2，所述燃料电池组进行发电；

还包括蒸汽透平发电装置，所述蒸汽透平发电装置通过管道连接锅炉的蒸汽管道，所述锅炉通过管道连接于转化炉的下游端，所述锅炉用于回收气体转化装置产生的热量并产生蒸汽，所述蒸汽透平发电装置包括透平、发电机，以蒸汽推动透平，透平再带动发电机发电；

所述燃料电池组的下游端通过管道连接水气分离装置，所述水气分离装置的气出口通过管道依次连接气体压缩机、脱碳塔，所述水气分离装置的水出口通过管道依次连接气体压缩机、系统补水罐、第一换热器受热通道、阀门，所述阀门分别连接第一饱和塔、预转化塔、锅炉、第二饱和塔；

所述膨胀机/节流阀、气体净化塔之间连接有第二换热器受热通道，所述第一饱和塔的下游端连接第三换热器受热通道，所述锅炉的下游端通过管道依次连接第三换热器加热通道、第二换热器加热通道、第一换热器加热通道。

2.根据权利要求1所述的一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统，其特征在于：所述燃料电池组、水气分离装置之间连接有热量回收装置、冷却装置进行热量回收和冷却。

3.根据权利要求1所述的一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统，其特征在于：所述水气分离装置排出的部分气体驰放，防止惰性气体积累。

4.根据权利要求1所述的一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统，其特征在于：所述第二饱和塔的上游端通过管道连接预热器受热通道，所述变换炉的下游端通过管道连接预热器加热通道，用于预热进入第二饱和塔的气体。

5.根据权利要求1所述的一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统，其特征在于：所述转化炉采用自热式转化炉。

说明书

一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统

技术领域

[0001] 本发明涉及天然气开采技术领域，特别是涉及一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统。

背景技术

[0002] 石油、天然气或页岩气的开采过程存在大量直接点燃排放的可燃气体，其主要成分为甲烷。此类可燃气体的直接燃烧并未转化为可利用的能源，造成了浪费和无效的碳排放。同时，较多的石油、天然气或页岩气的开采井口处于偏远地区，可能处于电网未覆盖区域，存在用电难的问题。因此，富含甲烷的天然气、页岩气在井口直接作为燃料驱动热机做功发电，是目前井口供电的主流方式。

[0003] 针对井口天然气发电的需求，国内技术人员提出了基于燃气发动机的发电技术，该技术主要采用了双燃料发动机和发电机技术，利用井口产出的天然气驱动发动机，再带动发电机旋转发电。燃气轮机也是天然气发电中使用较普遍的设备，其主要运行步骤包括两方面。一方面是压缩机中可以渗入空气，通过空气压气机进行必要的压缩，空气就会直接到达燃烧室，通过燃烧室内部的作用，空气形成混合天然气再燃烧，形成具有极高温度的燃气，达到发电的目标。另一方面高温燃气达到燃气透平里，就开始进行做功，燃气透平叶轮转动起来就能够产生电能。

[0004] 依赖热机做功的传统发电系统效率受限于热机的效率难于进一步提升，主要因素在于：热机的热力学限制，整套发电系统的效率不会高于热机的效率；热机是复杂的机械对材料、结构和制造有很高的要求；热机在工作过程中需要定期维护，且存在噪音、振动等情况。

[0005] 近年来，随着世界各国对温室气体排放引起的环境问题日益重视，寻求低碳排放的高效能源获取方式成为了研究热点。燃料电池作为一种新的将化学能转化为电能的途径，可以突破热机热力学的限制，不受卡诺循环的约束，具备更高发电效率，且工作无噪音和振动。目前该技术主要应用于氢能源汽车驱动。迄今为止，尚未见到该项技术与天然气制氢技术整合应用于天然气或页岩气井口发电的报道。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统；

[0007] 本发明充分利用天然气或页岩气井口大量排放富含CH4的可燃气体，从而减少无效的碳排放，并将排放的气体转化为电能，而不是直接燃烧后排放，避免了能量的浪费和温室气体CH4的直接排放，从而为井口放空气提供了新的利用途径；

[0008] 本发明解决井口设备电能的供给问题，采用燃料电池和膨胀机回收热能发电，可为天然气或页岩气井口开采设备进行供电，为无输电线路的偏远地区天然气或页岩气开采用电难提供了新的解决途径。

[0009] 本发明的目的是这样实现的：

[0010] 一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统，包括通过管道依次连接的气体预处理装置、气体转化装置、气体变换装置、燃料电池发电装置。

[0011] 所述气体预处理装置用于对井口高压气体进行能量回收，并稳定气体压力，脱除气体中的杂质；

[0012] 所述气体转化装置用于将气体中的CH4转换为富含CO+H2的合成气；

[0013] 所述气体变换装置用于将合成气中的CO与水反应产生H2，以提高合成气中的H2的含量；

[0014] 所述燃料电池发电装置以富含H2的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。

[0015] 优选地，所述气体预处理装置包括通过管道依次连接的膨胀机/节流阀、气体净化塔B6、饱和塔B8，所述膨胀机/节流阀用于回收由气体的膨胀功，并稳定气体压力，所述气体净化塔B6用于去除气体中的杂质，所述饱和塔B8用于增加气体中的水含量；

[0016] 所述气体转化装置包括通过管道依次连接的预转化塔B10、转化炉B2，所述预转化塔B10用于将天然气中的高级烃和部分CH4预先转化为CO和H2，所述转化炉B2用于将天然气中剩余的CH4转化为CO、H2和CO2；

[0017] 所述气体变换装置包括通过管道依次连接的饱和塔B12、变换炉B14，所述变换炉B14用于将CO与水转换为CO2和H2，所述饱和塔B12用于增加气体中的水含量，通过水含量控制变换的程度；

[0018] 燃料电池发电装置包括通过管道依次连接的脱碳塔B15、燃料电池组B16，所述脱碳塔B15用于脱除CO2，所述燃料电池组B16进行发电。

[0019] 优选地，还包括蒸汽透平发电装置，所述蒸汽透平发电装置通过管道连接锅炉B3的蒸汽管道，所述锅炉B3通过管道连接于转化炉B2的下游端，所述锅炉B3用于回收气体转化装置产生的热量并产生蒸汽，所述蒸汽透平发电装置以蒸汽推动透平，透平再带动发电机发电。

[0020] 优选地，所述燃料电池组B16的下游端通过管道连接水气分离装置B19，所述水气分离装置B19的气出口通过管道依次连接气体压缩机B21、脱碳塔B15，所述水气分离装置B19的水出口通过管道依次连接气体压缩机B20、系统补水罐B4、换热器B5受热通道、阀门B11，所述阀门B11分别连接饱和塔B8、预转化塔B10、锅炉B3、饱和塔B12；

[0021] 所述膨胀机/节流阀、气体净化塔B6之间连接有换热器B7受热通道，所述饱和塔B8的下游端连接换热器B9受热通道，所述锅炉B3的下游端通过管道依次连接换热器B9加热通道、换热器B7加热通道、换热器B5加热通道。

[0022] 优选地，所述燃料电池组B16、水气分离装置B19之间连接有热量回收装置、冷却装置进行热量回收和冷却。

[0023] 优选地，所述水气分离装置B19排出的部分气体驰放，防止惰性气体积累。

[0024] 优选地，所述饱和塔B12的上游端通过管道连接预热器B13受热通道，所述变换炉B14的下游端通过管道连接预热器B13加热通道，用于预热进入饱和塔B12的气体。

[0025] 优选地，所述转化炉B2采用自热式转化炉。

[0026] 由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

[0027] 本发明通过系统集成把天然气制氢、燃料电池、膨胀机、换热网络有机地结合在一起，实现了天然气或页岩气井口放空气的有效利用，且解决了井口装置用电难的问题；同时由于CH4被转换H2再采用燃料电池发电，使发电系统相对简单可靠；换热网络和膨胀机的引入，回收系统产生的余热和井口高压气体的膨胀功，提高了系统发电的效率；燃料电池发电产生的水可以回收，以补充系统对水的使用。

[0028] 与利用天然气直接燃烧推动内燃机相比，利用CH4制取氢气通过燃料电池发电效率更占优势，具有以下创新点：

[0029] 1.膨胀机回收高压气体压力能；

[0030] 2.采用的燃料电池组不需要高纯氢，氢气含量较高的合成气即可；

[0031] 3.CH4制氢、燃料电池组、膨胀机、换热网络组成的综合发电系统。

[0032] 本发明对比已有技术具有以下显著优点：

[0033] 1.整套系统具备很高的能量装换效率，综合热效率高于60％，高于热机发电系统；

[0034] 2.本发明未采用带有气缸活塞的热机，系统的噪音和振动要小于传统发电装置；

[0035] 3.燃料电池发电无剧烈反应的燃烧过程，发电过程较为温和可控。

附图说明

[0036] 图1为本发明方法的示意图；

[0037] 图2为本发明实施例的流程图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明的基本思想是利用融合天然气制氢技术、固体氧化物燃料电池、蒸汽发电技术实现高效率的能量转换发电，附图中连线数字标记为管道序列。

[0039] 实施例1

[0040] 一种基于天然气制氢与燃料电池技术的发电系统，其主要包括：

[0041] 气体预处理装置Ⅰ，采用膨胀机或节流阀对井口高压气体进行能量回收并稳定气体压力，并脱除气体中的含硫成分及其他杂质；

[0042] 气体转化装置Ⅱ，将天然气或页岩气中的甲烷(CH4)转换为富含CO+H2合成气；

[0043] 气体变换装置Ⅲ，提高合成气中的氢气(H2)的含量；

[0044] 燃料电池发电装置Ⅳ，以富含H2的合成气作为原料，经过化学反应产生电能。

[0045] 蒸汽透平发电装置Ⅴ，以蒸汽推动透平带动发电机发电。

[0046] 除上述主要装置外，该系统还包括有：

[0047] 流体输送泵B20，用于系统内液体的输送或增压；

[0048] 气体压缩机B21，用于系统内气体的输送或增压；

[0049] 换热网络中的换热器，用于流体温度的改变或热量回收；

[0050] 水气分离装置，用于分离气体和液体。

[0051] 以上各设备间的连接通常采用管道连接。

[0052] 发电系流程主要为：

[0053] 本系统的气源主要为天然气或页岩气井口富含CH4的放空气或多余气体，也可从产出气分出少量作为本系统的气源；气源放出的高压气体在预处理装置中经过膨胀机回收高压气体的膨胀功后压力降至合理水平(高压气体或通过阀门减压)，再采用湿法或干法脱除其中含硫化合物、二氧化碳(CO2)；净化后的气体与水蒸气混合，并引入空气或纯氧，预热后送至气体转化装置，将气体转化为富含CO和H2的合成气；然后将合成气送入气体变换装置，加入水蒸气反应提高H2含量；最后将气体送入燃料电池发电装置，离开燃料电池组的未完全反应的气体进冷却分液后重新压缩进入燃料电池发电装置系统，少部分气体处理后排放；整个系统产生的高温高压蒸汽由透平回收能量驱动发电机发电。本发明的流程中，高压气体采用膨胀机回收膨胀功以发电。

[0054] 本发明的流程中，天然气或页岩气需经过转化和变换成为富含H2的合成气，以燃料电池实现化学能到电能的转换。

[0055] 本发明的流程以天然气或页岩气井口的放空气为主要原料，可以少量气井产出气作为辅助原料；采用水对流程中的高温气体进行热量回收，产出中低压蒸汽用于发电或供热。

[0056] 本发明的流程包含对燃料电池组进行余热回收的设备，燃料电池组放出的热量用于发电或供热。

[0057] 具体地：

[0058] 采用附图2所示的装置及流程实现天然气的燃料电池综合发电系统。附图2中的虚线框内加黑数字编号对应附图1中的各装置编号，各装置间的连接采用公知的管道技术连接，本发明不作具体描述。

[0059] 针对气体预处理装置，附图2中采用了膨胀机B1回收由物流的膨胀功，物流为天然气，其压力为10MPa，经过膨胀机B1后压力减至4MPa，然后被换热器B7预热至350℃左右，再进入气体净化塔B6，气体中的含硫化合物及其他含磷、砷、氯等化合物杂质被脱除，脱除的工艺可以选择固定床干法，也可选择湿法脱除(如MDEA、NHD等)；接着再进入饱和塔B8(第一饱和塔)饱和水蒸气，然后净化天然气进入换热器B9重新预热至500℃以上后离开气体预处理装置进入气体转化装置。

[0060] 针对气体转化装置，净化后的天然气先进入预转化塔B10，将天然气中的高级烃和部分CH4预先转化为CO和H2，然后气体进入转化炉B2，天然气在B2中绝大部分的CH4均会转化为CO、H2和CO2，本实施例中，B2采用了ATR自热式部分氧化催化转化炉，因此需补入纯氧或空气至ATR转化炉中；转化炉B2出口气体中H2含量可达60％左右，CO可达20％以上；转化炉B2出口温度仅1000度，通过锅炉B3回收热量后，锅炉B3产生高温高压蒸汽送至蒸汽透平发电装置驱动透平发电。转化后的气体经过锅炉B3降温后仍有很高温度，可以继续为换热器B9(第三换热器)、B7(第二换热器)、B5(第一换热器)提供热量实现能量梯级利用。

[0061] 在气体变换装置中，由气体转化装置送来的气体先进入预热器B13由变换炉B14反应器出口气体预热，然后进入饱和塔B12(第二饱和塔)增加气体中的水含量，接着气体送入变换炉B14将CO与水转换为CO2和H2，通过调节饱和塔B12中水的加入量，可以控制变换的深度。

[0062] 经过变换的气体，氢气含量可以提升至80％以上，进入燃料电池发电装置进行发电。变换后的气体首先经过脱碳塔B15，脱除大部分的CO2，防止CO2抑制SOFC中的反应；然后气体进入燃料电池组B16进行发电，离开B16的气体进入热量回收装置B17和冷却装置B18进行热量回收和冷却，最后在B19中完成水气分离，气体进入压缩机压缩后循环至脱碳塔B15，部分循环气驰放防止惰性气体积累；分离下来的水进入系统补水罐B4。

[0063] 整个系统中，副产的中压以上等级蒸汽可送入透平发电装置进行发电，有利于提高整套系统的能量利用效率。

[0064] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。