通過氣態(tài)烴進料生產(chǎn)二氧化碳和電力的方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種利用固體氧化物燃料電池SOFC(2)通過氣態(tài)烴進料(200)生產(chǎn)二氧化碳(435)和電力的方法，所述方法包括如下步驟：?將氣態(tài)烴進料(200)引入水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)，其中氣態(tài)烴進料(200)被用作尾氣(201)，并且其中尾氣(201)富含氫并且作為富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)離開水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)，?引入蒸汽(220)，?將富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)引入重整器(3)中；?在重整器(3)中，通過至少部分地將甲烷和蒸汽(220)轉(zhuǎn)換為一氧化碳和氫氣來生成重整的工藝氣體(205)；?將重整的工藝氣體(205)引入固體氧化物燃料電池(2)中；?在固體氧化物燃料電池(2)中，將空氣(100)引入固體氧化物燃料電池(2)中并且將重整的工藝氣體(205)的氫氣和一氧化碳連同氧氣轉(zhuǎn)換為陽極廢氣(208)，陽極廢氣(208)包含蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)換的工藝氣體；?將陽極廢氣(208)引入水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)中；?在水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)中，使得陽極廢氣(208)耗盡氫氣以生成富二氧化碳的氣流(211)，并且使得尾氣(201)富含氫氣。
【專利說明】
通過氣態(tài)烴進料生產(chǎn)二氧化碳和電力的方法和系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明領(lǐng)域涉及利用SOFC單元通過氣態(tài)烴進料生產(chǎn)二氧化碳和電力的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]“提高石油采收率”(EOR)是用于提高能夠從油田提取的原油量的技術(shù)的專業(yè)術(shù)語。術(shù)語“提高氣藏采收率”(EGR)是用于提高能夠提取的天然氣量，例如從近乎枯竭的氣田提取的天然氣量的技術(shù)的專業(yè)術(shù)語。目前具有多種不同的提高石油采收率的方法，包括蒸汽驅(qū)注、水驅(qū)注以及水力壓裂。提高石油采收率提取方法消耗大量的水、天然氣和能量。注氣或混相驅(qū)是目前最常用的提高石油采收率的方法?；煜囹?qū)替最常用的流體是二氧化碳，因為其能夠降低油粘度并且相比于液化石油氣更廉價。二氧化碳在600m以上深度的儲層中尤其有效，在這樣的儲層中二氧化碳將處于超臨界狀態(tài)。在輕質(zhì)油的高壓應(yīng)用中，二氧化碳可與油混相，結(jié)果導(dǎo)致油的膨脹以及粘度的降低。二氧化碳作為溶劑具有相比于諸如丙烷和丁烷的其它類似的混相流體更經(jīng)濟的益處。
[0003]文獻US2006/0115691A1公開了一種用于在固體氧化物燃料電池發(fā)電廠中利用二氧化碳捕獲進行廢氣處理的方法，其中，陽極廢氣中的未反應(yīng)燃料被回收并重新利用，而產(chǎn)生的廢氣流由高濃度的二氧化碳組成。這種方法的一個缺點是該方法并不節(jié)能，從而需要額外的資源和產(chǎn)品來運行這一工藝。另外，這種方法僅限于加壓SOFC系統(tǒng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]所解決的技術(shù)問題
[0005]因此，本發(fā)明的目的在于提供一種用于生產(chǎn)電力和二氧化碳的更廉價的方法和系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明的另一目的在于提供一種適于通過烴進料提高石油采收率的用于生產(chǎn)電力和二氧化碳的節(jié)能方法和系統(tǒng)，其中二氧化碳特別是清潔的并且優(yōu)選是加壓的二氧化碳。
[0007]上述目的通過包括權(quán)利要求1的特征的方法以及更特別地通過包括權(quán)利要求2至8的特征的方法解決。上述目的還通過包括權(quán)利要求9的特征的系統(tǒng)以及更特別地通過包括權(quán)利要求10至14的特征的系統(tǒng)解決。
[0008]所述目的特別地通過一種用于利用固體氧化物燃料電池SOFC通過氣態(tài)烴進料生產(chǎn)二氧化碳和電力的方法解決，該方法包括如下步驟:
[0009]-將氣態(tài)烴進料引入水煤氣輪換膜反應(yīng)器的滲透側(cè)，其中氣態(tài)烴進料在水煤氣輪換膜反應(yīng)器的滲透側(cè)被用作尾氣，并且其中尾氣在水煤氣輪換膜反應(yīng)器的滲透側(cè)富含氫氣并且作為富氫氣的氣態(tài)烴進料離開水煤氣輪換膜反應(yīng)器，
[0010]-引入蒸汽，
[0011]-將富氫的氣態(tài)烴進料引入重整器中；
[0012]-在重整器中，通過至少部分地將甲烷和蒸汽轉(zhuǎn)換為一氧化碳和氫氣來生成重整的工藝氣體；
[0013]-將重整的工藝氣體引入固體氧化物燃料電池的陽極側(cè)；
[0014]-在固體氧化物燃料電池中，將空氣引入固體氧化物燃料電池的陰極側(cè)并且將重整的工藝氣體的氫氣和一氧化碳連同氧氣轉(zhuǎn)換為陽極廢氣，該陽極廢氣包含蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)換的工藝氣體；
[0015]-將陽極廢氣引入水煤氣輪換膜反應(yīng)器的進料側(cè)；
[0016]-在水煤氣輪換膜反應(yīng)器的進料側(cè)，將陽極廢氣的一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)換為二氧化碳和氫氣并且耗盡陽極廢氣的氫氣以生成富二氧化碳的氣流，并且使得尾氣富含氫氣。
[0017]所述目的特別地還通過一種用于利用固體氧化物燃料電池SOFC通過氣態(tài)烴進料生產(chǎn)二氧化碳和電力的系統(tǒng)解決，該系統(tǒng)包括:
[0018]-水煤氣輪換膜反應(yīng)器，
[0019]-重整器，
[0020]-固體氧化物燃料電池SOFC，
[0021]-用于氣態(tài)烴進料的入口，
[0022]-用于富二氧化碳的氣流的出口，
[0023]-其中水煤氣輪換膜反應(yīng)器包括滲透側(cè)、進料側(cè)以及位于滲透側(cè)和進料側(cè)二者之間的氫氣選擇性膜，
[0024]-其中滲透側(cè)具有輸入側(cè)和排出側(cè)，并且進料側(cè)具有輸入側(cè)和排出側(cè)，
[0025]-其中入口與滲透側(cè)的輸入側(cè)流體連接，
[0026]-其中重整器與滲透側(cè)的排出側(cè)和蒸汽進料二者流體連接，并且其中重整器通過至少部分地將甲烷和蒸汽轉(zhuǎn)換為一氧化碳和氫氣生成重整的工藝氣體；
[0027]-其中固體氧化物燃料電池的陽極側(cè)與重整器流體連接以用于接收重整的工藝氣體以及用于將重整的工藝氣體連同氧氣轉(zhuǎn)換為陽極廢氣，該陽極廢氣包括蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)換的重整的工藝氣體；
[0028]-其中水煤氣輪換膜反應(yīng)器的進料側(cè)的輸入側(cè)與固體氧化物燃料電池流體連接以用于接收陽極廢氣，用于在進料側(cè)將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)換為二氧化碳和氫氣，以及用于通過膜將氫氣分離以在滲透側(cè)生成富氫氣的氣態(tài)進料，使得陽極廢氣耗盡氫氣和一氧化碳以在進料側(cè)生成主要包含二氧化碳和蒸汽的富二氧化碳的氣流，
[0029]-并且其中進料側(cè)的排出側(cè)與出口流體連接。
[0030]根據(jù)本發(fā)明的方法利用了水煤氣輪換膜反應(yīng)器，其中氣態(tài)烴進料在水煤氣輪換膜反應(yīng)器的滲透側(cè)被用作尾氣。水煤氣輪換膜反應(yīng)器包括高溫氫氣分離膜單元，最優(yōu)選地，基于鈀合金的膜。基于鈀合金的膜意味著該合金可以包括額外的元素例如銀或銅。與溫度和壓力范圍以及CO含量相容的可選膜也是合適的，特別是分子篩二氧化硅膜。固體氧化物燃料電池的陽極廢氣中的氫氣通過氫氣分壓差被轉(zhuǎn)移通過膜，使得陽極廢氣耗盡氫氣。在這樣的氣態(tài)烴進料被進給至水煤氣輪換膜反應(yīng)器中之前，優(yōu)選為天然氣的化石燃料優(yōu)選地被預(yù)處理以去除諸如硫化合物的毒物。在水煤氣輪換膜反應(yīng)器中，氣態(tài)烴進料在膜的滲透側(cè)被用作尾氣以增加驅(qū)動力，使得尾氣富含氫氣并且水煤氣輪換膜反應(yīng)器的進料側(cè)的陽極尾氣耗盡氫氣。這允許產(chǎn)生二氧化碳，特別是濃縮二氧化碳，并且允許通過氣態(tài)烴進料產(chǎn)生電力。
[0031]為了增加膜中的驅(qū)動力，除了氣態(tài)烴進料之外，還可以將蒸汽加入氣態(tài)烴進料。
[0032]離開水煤氣輪換膜反應(yīng)器的富氫氣的氣態(tài)烴進料隨后通過蒸汽重整被轉(zhuǎn)換重整為出、CO、COdPH2O的混合物。該混合物在陽極側(cè)進入固體氧化物燃料電池?？諝庵械难鯕獗晦D(zhuǎn)移通過固體氧化物燃料電池并且與出和⑶電化學(xué)反應(yīng)，從而生成電力和熱量。陽極廢氣被進給至水煤氣輪換膜反應(yīng)器中，其中水煤氣輪換反應(yīng)將CO和H2O轉(zhuǎn)換為COdra2，由此H2被轉(zhuǎn)移通過膜使得陽極廢氣耗盡氫氣，并且氣態(tài)烴進料富含氫氣。陽極廢氣由此被凈化，并且CO2含量得以增加。從陽極廢氣耗盡的氫氣被再循環(huán)至重整器和燃料電池，在其中，其被有效地用于生成電力。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的方法的一個有益效果是從固體氧化物燃料電池的陽極廢氣中去除了氫氣，使得陽極廢氣中包含的CO被完全轉(zhuǎn)換為C02。另外，氫氣由此被轉(zhuǎn)移至燃料并且在固體氧化物燃料電池中再循環(huán)，其提高了燃料轉(zhuǎn)換率以及固體氧化物燃料電池的效率。另夕卜，通過放熱的水煤氣輪換反應(yīng)產(chǎn)生的熱量被轉(zhuǎn)移至氣態(tài)烴進料并由此有助于氣態(tài)烴進料的預(yù)熱。
[0034]在根據(jù)本發(fā)明的SOFC系統(tǒng)的最基本的實施方案中，除了烴進料、空氣和蒸汽之外，運行該方法并不需要額外的輸入。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)非常易于操作并且非常便于運行，因為并不需要昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施和額外的供給。
[0035]本發(fā)明的各種目的、特征、方面和有益效果通過下面本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的詳細描述連同隨附附圖將變得更加明顯，在附圖中相同的標記表示相同的部件。
【附圖說明】
[0036]圖1示出了本發(fā)明的第一實施方案的工藝流程圖；
[0037]圖2示出了水煤氣輪換膜反應(yīng)器；
[0038]圖3示出了本發(fā)明的第二實施方案的工藝流程圖；
[0039]圖4示出了本發(fā)明的第三實施方案的工藝流程圖；
[0040]圖5示出了本發(fā)明的第四實施方案的工藝流程圖；
[0041]圖6示出了用于分離二氧化碳的分離系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0042]圖1示出了本發(fā)明的用于通過氣態(tài)烴進料200生產(chǎn)二氧化碳435和電力的系統(tǒng)I和方法的主要原理。包含碳元素的無毒燃料，典型地為天然氣215，被作為氣態(tài)烴進料200進給至水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的滲透側(cè)。天然氣215優(yōu)選地進入燃料預(yù)處理單元11，燃料預(yù)處理單元11包含所有必需的毒物除去步驟以生產(chǎn)足夠清潔以適于重整器3、固體氧化物燃料電池2和水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的燃料。預(yù)處理單元11通常將由對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言已知的一種常規(guī)方法脫硫構(gòu)成，以生成氣態(tài)烴進料200。
[0043]圖2示意性地示出了用于根據(jù)圖1、3、4和5的實施方案的水煤氣輪換膜反應(yīng)器4。水煤氣輪換膜反應(yīng)器4包括:第一流路41，其作為滲透側(cè)41具有輸入側(cè)41a和排出側(cè)41b;以及第二流路44，其作為進料側(cè)44具有輸入側(cè)44a和排出側(cè)44b。兩側(cè)被作為Pd膜42a的膜42隔開。第二流路44包括催化劑43、分別地催化劑床，使得可以發(fā)生水煤氣輪換反應(yīng)45，如圖2所示。通常由CO、CO2、出0和出組成的陽極廢氣208進入水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的第二流路44，在其中發(fā)生分離處理，其中主要目的在于將CO轉(zhuǎn)換為CO2以及將0)2和出0與未使用燃料分離。H2通過膜42，并且COdra2O離開水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的第二流路44，作為富二氧化碳的氣流211。進入第一流路41的氣態(tài)烴200在滲透側(cè)被用作尾氣201以增加膜42上的驅(qū)動力。尾氣201在水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的第一流路41中富含氫氣并且作為富氫氣的氣態(tài)烴進料202離開反應(yīng)器4，使得氫氣再循環(huán)至重整器3以及固體氧化物燃料電池2，在其中，其被有效地用于生成電力。
[0044]水煤氣輪換膜反應(yīng)器4包括與鈀膜42a結(jié)合的水煤氣輪換反應(yīng)器，使得水煤氣輪換膜反應(yīng)器4將水煤氣輪換催化劑與出分離膜相結(jié)合。分離膜42的功能在于從反應(yīng)器中去除H2從而使反應(yīng)(C0+H20 = C02+H2)的平衡朝向反應(yīng)產(chǎn)物移動。這使得能夠獲得主要包括蒸汽和CO2的氣體混合物。剩余部分由微量的014、0)和!12組成。分離膜42應(yīng)優(yōu)選地在與水煤氣輪換反應(yīng)器相同的溫度下工作。分離膜42優(yōu)選地是致密的基于Pd的膜。將用于出分離的基于Pd的膜與水煤氣輪換反應(yīng)器結(jié)合使用具有如下的有益效果:可以通過烴生產(chǎn)純氫氣?；赑d的膜42a需要用于出分離的H2分壓驅(qū)動力。這通過在滲透側(cè)使用尾氣201獲得。還可以通過對水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的進料側(cè)44的流體加壓來增加用于出分離的驅(qū)動力。優(yōu)選地通過壓縮機109來增加進料側(cè)44的流體的壓力。驅(qū)動力優(yōu)選地被調(diào)整以使得來自陽極廢氣208的氫氣的回收率達到90%以上。這可以通過控制水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的溫度和/或水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的進料側(cè)44內(nèi)的進料氣208的空間速度來實現(xiàn)。該空間速度是指進料氣208的進入體積流速除以催化劑床43的體積的商。一氧化碳至二氧化碳的轉(zhuǎn)換率優(yōu)選地達到95%以上。這可以通過控制水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的溫度和/或尾氣201的流速來實現(xiàn)。基于Pd的膜42a具有如下的有益效果:其展現(xiàn)了高熱穩(wěn)定性并且能夠耐CO。氣態(tài)烴進料200作為尾氣的使用具有如下的有益效果:其簡化了至固體氧化物燃料電池2的氫氣循環(huán)。通過利用由此富含氫氣的尾氣201使得在膜42的滲透側(cè)的出分壓差保持為低。在一種有益的方法中，通過水煤氣輪換去除H2有利于在存在蒸汽的情況下CO至CO2的完全轉(zhuǎn)換。因此，富二氧化碳的氣流211主要包含蒸汽和⑶2。由于WGS反應(yīng)是放熱的，所產(chǎn)生的熱量能夠有益地通過膜42被轉(zhuǎn)移至尾氣201，尾氣201為氣態(tài)烴進料200，用于對氣態(tài)烴進料200進行預(yù)熱。
[0045]圖2示出了順流配置，但逆流配置也可以是有益的。
[0046]如圖1所公開的，富氫氣的氣態(tài)烴進料202在壓縮機109中被壓縮至優(yōu)選為4至8巴范圍內(nèi)的工作壓力，以增加進料側(cè)44的流體的壓力，在壓縮機109之后，富氫氣的烴進料202在換熱器203中被加熱并且被進給至重整器3以生成重整的工藝氣體205，由此，在根據(jù)圖1的實施方案中蒸汽220也被進給至重整器3。重整器3中的反應(yīng)優(yōu)選地在存在重整催化劑的情況下在500至800°C的溫度范圍內(nèi)發(fā)生。重整的工藝氣體205在換熱器206中被加熱并且被進給至固體氧化物燃料電池SOFC 2的陽極側(cè)23。離開固體氧化物燃料電池2的陽極廢氣208在換熱器209中被冷卻至例如約300°C，并且被進給至水煤氣輪換膜反應(yīng)器4中。
[0047]固體氧化物燃料電池2還包括陰極側(cè)21以及電解質(zhì)22。固體氧化物燃料電池2將空氣流100和重整的工藝氣體205保持分離，使得它們不會混合。固體氧化物燃料電池2的進一步細節(jié)并未示出?？諝?00在壓縮機101中被壓縮為壓縮冷空氣102，在換熱器103中被加熱為預(yù)熱空氣104，之后被進給至固體氧化物燃料電池2的陰極側(cè)21?？諝?00優(yōu)選地被壓縮至與重整的工藝氣體205的壓力相同或大約相同的工作壓力，使得在固體氧化物燃料電池2中陰極側(cè)21和陽極側(cè)23之間沒有壓差。離開固體氧化物燃料電池2的陰極側(cè)21的熱枯竭空氣流114在換熱器106中被冷卻，在膨脹器108中膨脹并且作為枯竭空氣107排出。固體氧化物燃料電池2所產(chǎn)生的電力在逆變器6中從DC轉(zhuǎn)換為AC。離開水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的進料側(cè)44的富二氧化碳的氣流211在換熱器212中被冷卻并且進給至⑶2調(diào)節(jié)單元5，C02調(diào)節(jié)單元5至少將水411與富二氧化碳的氣流211分離并且優(yōu)選地將該氣流壓縮以生成壓縮二氧化碳435。
[0048]圖1中所公開的系統(tǒng)I包括:
[0049]-水煤氣輪換膜反應(yīng)器4，
[0050]-重整器3，
[0051 ]-固體氧化物燃料電池SOFC 2，
[0052]-用于氣態(tài)烴進料200的入口200a，
[0053]-用于富二氧化碳的氣流211的出口211a，
[0054]-其中水煤氣輪換膜反應(yīng)器4包括滲透側(cè)41、進料側(cè)44以及位于滲透側(cè)41和進料側(cè)44 二者之間的氫氣選擇性膜42，
[0055]-其中滲透側(cè)41具有輸入側(cè)41a和排出側(cè)41b，并且進料側(cè)44具有輸入側(cè)44a和排出側(cè)44b，
[0056]-其中入口200a與滲透側(cè)41的輸入側(cè)41a流體連接，
[0057]-其中重整器3與滲透側(cè)41的排出側(cè)41b和蒸汽進料220二者流體連接，并且其中重整器3通過至少部分地將甲烷和蒸汽轉(zhuǎn)換為一氧化碳和氫氣來生成重整的工藝氣體205;
[0058]-其中固體氧化物燃料電池2與重整器3流體連接以用于接收重整的工藝氣體205以及用于將重整的工藝氣體205連同氧氣轉(zhuǎn)換為陽極廢氣208，陽極廢氣208包含蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)換的重整的工藝氣體205;
[0059]-其中水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的進料側(cè)44的輸入側(cè)44a與固體氧化物燃料電池I流體連接以用于接收陽極廢氣208，用于在進料側(cè)44將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)換為二氧化碳和氫氣，以及用于通過膜42將氫氣分離以在滲透側(cè)41生成富氫氣的氣態(tài)進料202，使得陽極廢氣208耗盡氫氣和一氧化碳以在進料側(cè)44生成主要包含二氧化碳和蒸汽的富二氧化碳的氣流211，
[0060]-并且其中進料側(cè)44的排出側(cè)44b與出口211a流體連接。
[0061]蒸汽220通過利用蒸汽生成單元220a提供并且被進給至系統(tǒng)I中。
[0062]圖1中公開的實施方案優(yōu)選地適于平面型固體氧化物燃料電池S0FC2，從而富氫氣的氣態(tài)烴202和空氣100優(yōu)選地被壓縮，使得陰極側(cè)21的預(yù)熱空氣104和陽極側(cè)23的重整產(chǎn)品205具有相同或大約相同的壓力。
[0063]圖3示出了另一實施方案。相比于圖1中所公開的實施方案，蒸汽220在進入水煤氣輪換膜反應(yīng)器4之前被加入氣態(tài)烴進料200作為尾氣201。在又一實施方案中并且如圖3中所公開的，沒有使用壓縮機101和108。相反，使用了鼓風(fēng)機101。這樣的實施方案特別適于與管狀燃料電池設(shè)計相結(jié)合。將蒸汽220在進入水煤氣輪換膜反應(yīng)器4之前加入氣態(tài)烴進料200的有益效果在于:由此增加了滲透側(cè)41的尾氣體積流速，優(yōu)選地增加3至5倍，其對應(yīng)于蒸汽與碳之比為2至4。這種尾氣201體積流速增加的有益效果在于:可以減小蒸汽202在壓縮機109中的壓縮，例如減小1.3至2倍，其節(jié)約了壓縮能量。氫氣滲透流過膜43依賴于越過膜43的氫氣分壓差。氫氣分壓差與sqrt[p(H2)刪.] _sqrt[p(H2)滲f]成比例，其中p(H2)刪是水煤氣輪換膜反應(yīng)器4的進料側(cè)44的氫氣分壓而p(H2>凝是滲透側(cè)41的氫氣分壓。氫氣分壓P(H2)避斗與通過壓縮機109實現(xiàn)的壓縮比成正比，而滲透側(cè)的氫氣分壓P(H2)滿I與尾氣體積流速成反比。因此，增加尾氣體積流速將降低P(H2)滲f并且因此增加用于氫氣滲透流的驅(qū)動力。另一方面，如果滲透流被保持在恒定值，則增加尾氣體積流速將允許降低P(H2)進料從而降低壓縮機109處的壓力比，這允許節(jié)約壓縮能量。
[0064]圖4示出了另一實施方案。相比于圖1中所公開的實施例，蒸汽220在換熱器214中被加熱并且被加入富氫氣的氣態(tài)進料202。
[0065]圖5示出了又一實施方案。相比于圖1中所公開的實施方案，蒸汽220在進入水煤氣輪換膜反應(yīng)器4之前被加入氣態(tài)烴進料200作為尾氣201。另外，沒有使用壓縮機101、109。為了在基于鈀的膜42a處實現(xiàn)驅(qū)使氫氣分離通過膜42a所需的足夠的氫氣分壓，使用過量的蒸汽220。在尾氣201中使用至少15而不是重整器3中的蒸汽重整反應(yīng)優(yōu)選地需要的2至3的蒸汽與碳之比是。蒸汽與碳之比對應(yīng)于蒸汽分子數(shù)除以碳原子數(shù)。在根據(jù)圖5的實施方案中，通過利用冷卻器1a使得過量的蒸汽220在冷凝器10中部分地冷凝，從而在富氫氣的氣態(tài)進料202進入重整器3之前使得一部分水411與富氫氣的氣態(tài)進料202分離。本實施方案的有益效果在于:可以在水煤氣輪換膜反應(yīng)器4中實現(xiàn)足夠的氫氣分壓差，而無需壓縮富氫氣的氣態(tài)進料202和空氣流100。
[0066]圖6示出了C02調(diào)節(jié)單元5的實施方案。富二氧化碳的氣流211被傳輸至調(diào)節(jié)單元5，其由一系列壓縮和冷卻步驟組成以至少將水和二氧化碳以及剩余氣體分離。富二氧化碳的氣流211在換熱器212中被冷卻并在之后進入具有輔助冷卻402的水分離器401，在其中冷凝水408被分離。剩余的冷卻的富二氧化碳的氣流211隨后在壓縮機403中被壓縮，在具有輔助冷卻405的換熱器404中被冷卻并在之后被引入另一水分離器406中，在其中冷凝水407被分離。分離出的水407、408被收集在水箱409中并且可以在出水口 410處獲得水411。剩余的冷卻的富二氧化碳的氣流211在壓縮機415中被壓縮，在具有輔助冷卻417的換熱器416中被冷卻并且在任選的分離器418中流動，在其中流體被分離成可以在壓縮殘余氣體出口 419處獲得的殘余氣體420，以及被分離成超臨界二氧化碳430，超臨界二氧化碳430通過栗431和管道432被栗入二氧化碳存儲箱433中?？梢栽诙趸汲隹?434處獲得壓縮的二氧化碳435。舉例來說，冷卻的富二氧化碳的氣流211在離開壓縮機403時可以具有10巴的壓力，并且在離開壓縮機415時可以具有80巴的壓力，使得殘余氣體420具有80巴的壓力，由此二氧化碳通過栗431被進一步壓縮，使得壓縮的二氧化碳435可以具有150巴的壓力。圖6還示出了用于控制系統(tǒng)I和/或調(diào)節(jié)單元5的控制單元7。
【主權(quán)項】
1.一種利用固體氧化物燃料電池S0FC(2)通過氣態(tài)烴進料(200)生產(chǎn)二氧化碳(435)和電力的方法，所述方法包括如下步驟: 將氣態(tài)烴進料(200)引入水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的滲透側(cè)(41)，其中氣態(tài)烴進料(200)在所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的滲透側(cè)(41)被用作尾氣(201)，并且其中所述尾氣(201)在水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的滲透側(cè)(41)富含氫氣并且作為富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)離開所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)， 引入蒸汽(220)， 將所述富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)引入重整器(3)中； 在所述重整器(3)中，通過至少部分地將甲烷和蒸汽(220)轉(zhuǎn)換為一氧化碳和氫氣來生成重整的工藝氣體(205); 將所述重整的工藝氣體(205)引入所述固體氧化物燃料電池(2)的陽極側(cè)； 在所述固體氧化物燃料電池(2)中，將空氣(100)引入所述固體氧化物燃料電池(2)的陰極側(cè)并且將所述重整的工藝氣體(205)的氫氣和一氧化碳連同氧氣轉(zhuǎn)換為陽極廢氣(208),所述陽極廢氣(208)包含蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)換的工藝氣體； 將所述陽極廢氣(208)引入所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的進料側(cè)(44); 在所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的進料側(cè)(44)，將所述陽極廢氣(208)的一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)換為二氧化碳和氫氣并且使得所述陽極廢氣(208)耗盡氫氣以生成富二氧化碳的氣流(211)，并且使得所述尾氣(201)富含氫氣。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將蒸汽(220)加入所述氣態(tài)烴進料(200)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將蒸汽(220)引入所述重整器(3)中。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中將蒸汽(220)加入所述富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)。5.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中一項所述的方法，其中所述富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)在進入所述重整器(3)之前被壓縮至2至8巴范圍內(nèi)的工作壓力，并且其中空氣(100)在進入所述固體氧化物燃料電池(2)之前優(yōu)選地被壓縮至相同的工作壓力。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中以至少15的蒸汽與碳之比加入蒸汽(220)的量，并且其中所述富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)在離開所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)之前被冷卻以冷凝并分離過量的水(411)，使得所述富氫氣的氣態(tài)烴進料(202)在冷凝和分離之后具有2至4的蒸汽與碳之比。7.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中一項所述的方法，其中所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)是具有基于鈀合金的膜(42a)的集成式水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)，用于選擇性地從所述陽極尾氣(208)中去除氫氣。8.根據(jù)前述權(quán)利要求的其中一項所述的方法，其中將所述富二氧化碳的氣流(211)弓丨入分咼系統(tǒng)(5)中； 在所述分離系統(tǒng)(5)中，將蒸汽與所述富二氧化碳的氣流(211)分離，其中二氧化碳在壓縮機(403，415)中被壓縮以提供壓縮二氧化碳(435)。9.一種利用固體氧化物燃料電池SOFC(2)通過氣態(tài)烴進料(200)來生產(chǎn)二氧化碳(435)和電力的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括: 水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)， 重整器(3)， 所述固體氧化物燃料電池S0FC(2)包括陽極側(cè)(23)和陰極側(cè)(21)，用于所述氣態(tài)烴進料(200)的入口(200a)， 用于富二氧化碳的氣流(211)的出口(211a)， 其中所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)包括滲透側(cè)(41)、進料側(cè)(44)以及位于所述滲透側(cè)(41)和所述進料側(cè)(44) 二者之間的氫氣選擇性膜(42)， 其中所述滲透側(cè)(41)具有輸入側(cè)(41a)和排出側(cè)(41b)，并且所述進料側(cè)(44)具有輸入側(cè)(44a)和排出側(cè)(44b)， 其中所述入口( 200a)與所述滲透側(cè)(41)的輸入側(cè)(41a)流體連接， 其中所述重整器(3)與所述滲透側(cè)(41)的排出側(cè)(41b)和蒸汽進料(220) 二者流體連接，并且其中所述重整器(3)通過至少部分地將甲烷和蒸汽轉(zhuǎn)換為一氧化碳和氫氣來生成重整的工藝氣體(205); 其中固體氧化物燃料電池(2)的陽極側(cè)(23)與所述重整器(3)流體連接以用于接收所述重整的工藝氣體(205)以及用于將所述重整的工藝氣體(205)連同氧氣轉(zhuǎn)換為陽極廢氣(208)，所述陽極廢氣(208)包含蒸汽、二氧化碳和未轉(zhuǎn)換的重整的工藝氣體(205); 其中所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的進料側(cè)(44)的輸入側(cè)(44a)與固體氧化物燃料電池(I)流體連接以用于接收所述陽極廢氣(208)，用于在所述進料側(cè)(44)將一氧化碳和蒸汽轉(zhuǎn)換為二氧化碳和氫氣，以及用于通過所述膜(42)將氫氣分離以在所述滲透側(cè)(41)生成富氫氣的氣態(tài)進料(202)，使得所述陽極廢氣(208)耗盡氫氣和一氧化碳以在所述進料側(cè)(44)生成主要包含二氧化碳和蒸汽的富二氧化碳的氣流(211)， 并且其中所述進料側(cè)(44)的排出側(cè)(44b)與所述出口(21 Ia)流體連接。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中在所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)和所述重整器(3)之間布置有壓縮機(109)，使得所述滲透側(cè)(41)的排出側(cè)(41b)與所述壓縮機(109)流體連接，并且使得所述重整器(3)與所述壓縮機(109)的排出側(cè)流體連接。11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中在所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)和所述重整器(3)之間布置有冷凝器(10)，使得所述滲透側(cè)(41)的排出側(cè)(41b)與所述冷凝器(10)流體連接，并且使得所述重整器(3)與所述冷凝器(10)的排出側(cè)流體連接。12.根據(jù)權(quán)利要求9至11的其中一項所述的系統(tǒng)，其中所述膜(42)是基于鈀合金的膜(42a)以用于選擇性地去除氫氣。13.根據(jù)權(quán)利要求9至12的其中一項所述的系統(tǒng)，其中所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的滲透側(cè)(41)的輸入側(cè)(41 a)還與蒸汽提供單元(220a)流體連接。14.根據(jù)權(quán)利要求9至13的其中一項所述的系統(tǒng)，其中分離系統(tǒng)(5)與所述水煤氣輪換膜反應(yīng)器(4)的進料側(cè)(44)的排出側(cè)(44b)流體連接，以將富二氧化碳的氣流(211)引入所述分離系統(tǒng)(5)中，從而將蒸汽與所述富二氧化碳的氣流(211)分離以提供二氧化碳(435)。
【文檔編號】H01M8/0662GK105960729SQ201480073297
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2014年1月17日
【發(fā)明人】S·迪特黑爾姆, A·拉瓦尼, O·比舍利
【申請人】Ht切拉米克斯有限公司