通过气态烃进料生产二氧化碳和电力的方法和系统技术方案

一种利用固体氧化物燃料电池SOFC(2)通过气态烃进料(200)生产二氧化碳(435)和电力的方法，所述方法包括如下步骤：‑将气态烃进料(200)引入水煤气轮换膜反应器(4)，其中气态烃进料(200)被用作尾气(201)，并且其中尾气(201)富含氢并且作为富氢气的气态烃进料(202)离开水煤气轮换膜反应器(4)，‑引入蒸汽(220)，‑将富氢气的气态烃进料(202)引入重整器(3)中；‑在重整器(3)中，通过至少部分地将甲烷和蒸汽(220)转换为一氧化碳和氢气来生成重整的工艺气体(205)；‑将重整的工艺气体(205)引入固体氧化物燃料电池(2)中；‑在固体氧化物燃料电池(2)中，将空气(100)引入固体氧化物燃料电池(2)中并且将重整的工艺气体(205)的氢气和一氧化碳连同氧气转换为阳极废气(208)，阳极废气(208)包含蒸汽、二氧化碳和未转换的工艺气体；‑将阳极废气(208)引入水煤气轮换膜反应器(4)中；‑在水煤气轮换膜反应器(4)中，使得阳极废气(208)耗尽氢气以生成富二氧化碳的气流(211)，并且使得尾气(201)富含氢气。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利
涉及利用SOFC单元通过气态烃进料生产二氧化碳和电力的方法和系统。
技术介绍
“提高石油采收率”(EOR)是用于提高能够从油田提取的原油量的技术的专业术语。术语“提高气藏采收率”(EGR)是用于提高能够提取的天然气量，例如从近乎枯竭的气田提取的天然气量的技术的专业术语。目前具有多种不同的提高石油采收率的方法，包括蒸汽驱注、水驱注以及水力压裂。提高石油采收率提取方法消耗大量的水、天然气和能量。注气或混相驱是目前最常用的提高石油采收率的方法。混相驱替最常用的流体是二氧化碳，因为其能够降低油粘度并且相比于液化石油气更廉价。二氧化碳在600m以上深度的储层中尤其有效，在这样的储层中二氧化碳将处于超临界状态。在轻质油的高压应用中，二氧化碳可与油混相，结果导致油的膨胀以及粘度的降低。二氧化碳作为溶剂具有相比于诸如丙烷和丁烷的其它类似的混相流体更经济的益处。文献US2006/0115691A1公开了一种用于在固体氧化物燃料电池发电厂中利用二氧化碳捕获进行废气处理的方法，其中，阳极废气中的未反应燃料被回收并重新利用，而产生的废气流由高浓度的二氧化碳组成。这种方法的一个缺点是该方法并不节能，从而需要额外的资源和产品来运行这一工艺。另外，这种方法仅限于加压SOFC系统。
技术实现思路
所解决的技术问题因此，本专利技术的目的在于提供一种用于生产电力和二氧化碳的更廉价的方法和系统。本专利技术的另一目的在于提供一种适于通过烃进料提高石油采收率的用于生产电力和二氧化碳的节能方法和系统，其中二氧化碳特别是清洁的并且优选是加压的二氧化碳。上述目的通过包括权利要求1的特征的方法以及更特别地通过包括权利要求2至8的特征的方法解决。上述目的还通过包括权利要求9的特征的系统以及更特别地通过包括权利要求10至14的特征的系统解决。所述目的特别地通过一种用于利用固体氧化物燃料电池SOFC通过气态烃进料生产二氧化碳和电力的方法解决，该方法包括如下步骤：-将气态烃进料引入水煤气轮换膜反应器的渗透侧，其中气态烃进料在水煤气轮换膜反应器的渗透侧被用作尾气，并且其中尾气在水煤气轮换膜反应器的渗透侧富含氢气并且作为富氢气的气态烃进料离开水煤气轮换膜反应器，-引入蒸汽，-将富氢的气态烃进料引入重整器中；-在重整器中，通过至少部分地将甲烷和蒸汽转换为一氧化碳和氢气来生成重整的工艺气体；-将重整的工艺气体引入固体氧化物燃料电池的阳极侧；-在固体氧化物燃料电池中，将空气引入固体氧化物燃料电池的阴极侧并且将重整的工艺气体的氢气和一氧化碳连同氧气转换为阳极废气，该阳极废气包含蒸汽、二氧化碳和未转换的工艺气体；-将阳极废气引入水煤气轮换膜反应器的进料侧；-在水煤气轮换膜反应器的进料侧，将阳极废气的一氧化碳和蒸汽转换为二氧化碳和氢气并且耗尽阳极废气的氢气以生成富二氧化碳的气流，并且使得尾气富含氢气。所述目的特别地还通过一种用于利用固体氧化物燃料电池SOFC通过气态烃进料生产二氧化碳和电力的系统解决，该系统包括：-水煤气轮换膜反应器，-重整器，-固体氧化物燃料电池SOFC，-用于气态烃进料的入口，-用于富二氧化碳的气流的出口，-其中水煤气轮换膜反应器包括渗透侧、进料侧以及位于渗透侧和进料侧二者之间的氢气选择性膜，-其中渗透侧具有输入侧和排出侧，并且进料侧具有输入侧和排出侧，-其中入口与渗透侧的输入侧流体连接，-其中重整器与渗透侧的排出侧和蒸汽进料二者流体连接，并且其中重整器通过至少部分地将甲烷和蒸汽转换为一氧化碳和氢气生成重整的工艺气体；-其中固体氧化物燃料电池的阳极侧与重整器流体连接以用于接收重整的工艺气体以及用于将重整的工艺气体连同氧气转换为阳极废气，该阳极废气包括蒸汽、二氧化碳和未转换的重整的工艺气体；-其中水煤气轮换膜反应器的进料侧的输入侧与固体氧化物燃料电池流体连接以用于接收阳极废气，用于在进料侧将一氧化碳和蒸汽转换为二氧化碳和氢气，以及用于通过膜将氢气分离以在渗透侧生成富氢气的气态进料，使得阳极废气耗尽氢气和一氧化碳以在进料侧生成主要包含二氧化碳和蒸汽的富二氧化碳的气流，-并且其中进料侧的排出侧与出口流体连接。根据本专利技术的方法利用了水煤气轮换膜反应器，其中气态烃进料在水煤气轮换膜反应器的渗透侧被用作尾气。水煤气轮换膜反应器包括高温氢气分离膜单元，最优选地，基于钯合金的膜。基于钯合金的膜意味着该合金可以包括额外的元素例如银或铜。与温度和压力范围以及CO含量相容的可选膜也是合适的，特别是分子筛二氧化硅膜。固体氧化物燃料电池的阳极废气中的氢气通过氢气分压差被转移通过膜，使得阳极废气耗尽氢气。在这样的气态烃进料被进给至水煤气轮换膜反应器中之前，优选为天然气的化石燃料优选地被预处理以去除诸如硫化合物的毒物。在水煤气轮换膜反应器中，气态烃进料在膜的渗透侧被用作尾气以增加驱动力，使得尾气富含氢气并且水煤气轮换膜反应器的进料侧的阳极尾气耗尽氢气。这允许产生二氧化碳，特别是浓缩二氧化碳，并且允许通过气态烃进料产生电力。为了增加膜中的驱动力，除了气态烃进料之外，还可以将蒸汽加入气态烃进料。离开水煤气轮换膜反应器的富氢气的气态烃进料随后通过蒸汽重整被转换重整为H2、CO、CO2和H2O的混合物。该混合物在阳极侧进入固
体氧化物燃料电池。空气中的氧气被转移通过固体氧化物燃料电池并且与H2和CO电化学反应，从而生成电力和热量。阳极废气被进给至水煤气轮换膜反应器中，其中水煤气轮换反应将CO和H2O转换为CO2和H2，由此H2被转移通过膜使得阳极废气耗尽氢气，并且气态烃进料富含氢气。阳极废气由此被净化，并且CO2含量得以增加。从阳极废气耗尽的氢气被再循环至重整器和燃料电池，在其中，其被有效地用于生成电力。根据本专利技术的方法的一个有益效果是从固体氧化物燃料电池的阳极废气中去除了氢气，使得阳极废气中包含的CO被完全转换为CO2。另外，氢气由此被转移至燃料并且在固体氧化物燃料电池中再循环，其提高了燃料转换率以及固体氧化物燃料电池的效率。另外，通过放热的水煤气轮换反应产生的热量被转移至气态烃进料并由此有助于气态烃进料的预热。在根据本专利技术的SOFC系统的最基本的实施方案中，除了烃进料、空气和蒸汽之外，运行该方法并不需要额外的输入。根据本专利技术的系统非常易于操作并且非常便于运行，因为并不需要昂贵的基础设施和额外的供给。本专利技术的各种目的、特征、方面和有益效果通过下面本专利技术的优选实施方案的详细描述连同随附附图将变得更加明显，在附图中相同的标记表示相同的部件。附图说明图1示出了本专利技术的第一实施方案的工艺流程图；图2示出了水煤气轮换膜反应器；图3示出了本专利技术的第二实施方案的工艺流程图；图4示出了本专利技术的第三实施方案的工艺流程图；图5示出了本专利技术的第四实施方案的工艺流程图；图6示出了用于分离二氧化碳的分离系统。具体实施方式图1示出了本专利技术的用于通过气态烃进料200生产二氧化碳435和电力的系统1和方法的主要原理。包含碳元素的无毒燃料，典型地为天然气215，被作为气态烃进料200进给至水煤气轮换膜反应器4的渗透侧。天然气215优选地进入燃料预处理单元11，燃料预处理单元11包含所有必
需的毒物除去步骤以生产足够清洁以适于重整器3、固体氧化物燃料电池2和水煤气轮换膜反应器4的燃料。预处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用固体氧化物燃料电池SOFC(2)通过气态烃进料(200)生产二氧化碳(435)和电力的方法，所述方法包括如下步骤：将气态烃进料(200)引入水煤气轮换膜反应器(4)的渗透侧(41)，其中气态烃进料(200)在所述水煤气轮换膜反应器(4)的渗透侧(41)被用作尾气(201)，并且其中所述尾气(201)在水煤气轮换膜反应器(4)的渗透侧(41)富含氢气并且作为富氢气的气态烃进料(202)离开所述水煤气轮换膜反应器(4)，引入蒸汽(220)，将所述富氢气的气态烃进料(202)引入重整器(3)中；在所述重整器(3)中，通过至少部分地将甲烷和蒸汽(220)转换为一氧化碳和氢气来生成重整的工艺气体(205)；将所述重整的工艺气体(205)引入所述固体氧化物燃料电池(2)的阳极侧；在所述固体氧化物燃料电池(2)中，将空气(100)引入所述固体氧化物燃料电池(2)的阴极侧并且将所述重整的工艺气体(205)的氢气和一氧化碳连同氧气转换为阳极废气(208)，所述阳极废气(208)包含蒸汽、二氧化碳和未转换的工艺气体；将所述阳极废气(208)引入所述水煤气轮换膜反应器(4)的进料侧(44)；在所述水煤气轮换膜反应器(4)的进料侧(44)，将所述阳极废气(208)的一氧化碳和蒸汽转换为二氧化碳和氢气并且使得所述阳极废气(208)耗尽氢气以生成富二氧化碳的气流(211)，并且使得所述尾气(201)富含氢气。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种利用固体氧化物燃料电池SOFC(2)通过气态烃进料(200)生产二氧化碳(435)和电力的方法，所述方法包括如下步骤：将气态烃进料(200)引入水煤气轮换膜反应器(4)的渗透侧(41)，其中气态烃进料(200)在所述水煤气轮换膜反应器(4)的渗透侧(41)被用作尾气(201)，并且其中所述尾气(201)在水煤气轮换膜反应器(4)的渗透侧(41)富含氢气并且作为富氢气的气态烃进料(202)离开所述水煤气轮换膜反应器(4)，引入蒸汽(220)，将所述富氢气的气态烃进料(202)引入重整器(3)中；在所述重整器(3)中，通过至少部分地将甲烷和蒸汽(220)转换为一氧化碳和氢气来生成重整的工艺气体(205)；将所述重整的工艺气体(205)引入所述固体氧化物燃料电池(2)的阳极侧；在所述固体氧化物燃料电池(2)中，将空气(100)引入所述固体氧化物燃料电池(2)的阴极侧并且将所述重整的工艺气体(205)的氢气和一氧化碳连同氧气转换为阳极废气(208)，所述阳极废气(208)包含蒸汽、二氧化碳和未转换的工艺气体；将所述阳极废气(208)引入所述水煤气轮换膜反应器(4)的进料侧(44)；在所述水煤气轮换膜反应器(4)的进料侧(44)，将所述阳极废气(208)的一氧化碳和蒸汽转换为二氧化碳和氢气并且使得所述阳极废气(208)耗尽氢气以生成富二氧化碳的气流(211)，并且使得所述尾气(201)富含氢气。2.根据权利要求1所述的方法，其中将蒸汽(220)加入所述气态烃进料(200)。3.根据权利要求1所述的方法，其中将蒸汽(220)引入所述重整器(3)中。4.根据权利要求1所述的方法，其中将蒸汽(220)加入所述富氢气的气态烃进料(202)。5.根据前述权利要求的其中一项所述的方法，其中所述富氢气的气
\t态烃进料(202)在进入所述重整器(3)之前被压缩至2至8巴范围内的工作压力，并且其中空气(100)在进入所述固体氧化物燃料电池(2)之前优选地被压缩至相同的工作压力。6.根据权利要求2所述的方法，其中以至少15的蒸汽与碳之比加入蒸汽(220)的量，并且其中所述富氢气的气态烃进料(202)在离开所述水煤气轮换膜反应器(4)之前被冷却以冷凝并分离过量的水(411)，使得所述富氢气的气态烃进料(202)在冷凝和分离之后具有2至4的蒸汽与碳之比。7.根据前述权利要求的其中一项所述的方法，其中所述水煤气轮换膜反应器(4)是具有基于钯合金的膜(42a)的集成式水煤气轮换膜反应器(4)，用于选择性地从所述阳极尾气(208)中去除氢气。8.根据前述权利要求的其中一项所述的方法，其中将所述富二氧化碳的气流(211)引入分离系统(5)中；在所述分离系统(5)中，将蒸汽与所述富二氧化碳的气流(211)分离，其中二氧化碳在压缩机(403，415)中被压缩以提供压缩二氧化碳(435)。9.一种利用固体氧化物燃料电池SOFC(2)通过气态烃进料(200)来生产二氧化碳(435)和电力的系统，所述系统包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·迪特黑尔姆，A·拉瓦尼，O·比舍利，
申请(专利权)人：HT切拉米克斯有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH