Спосіб продукування електричної енергії з природного газу з використанням паливного елемента з електролітом на основі твердого оксиду

1 Спосіб продукування електричної енергії з природного газу з використанням паливного елемента з електролітом на основі твердого оксиду, в якому (а) спочатку перетворюють з анодного боку паливного елемента природний газ на водень та оксид карбону та надають змогу проходженню катодної та анодної реакцій для створення різниці потенціалів між анодом та катодом, у яких утворюється анодний ВІДХІДНИЙ газ, що включає воду та дюксид карбону, (б) потім видаляють збіднений на кисень окисник через вихідний отвір катодного боку і видаляють анодний ВІДХІДНИЙ газ через вихідний отвір з анодного боку, (в) після цього подають анодний ВІДХІДНИЙ газ з вихідного отвору анодного боку паливного елемента до установки допалювання, (г) далі частково конденсують анодний ВІДХІДНИЙ газ та видаляють воду з анодного ВІДХІДНОГО газу і одержують потік, збагачений на дюксид карбону, (д) потім стискають потік, збагачений на дюксид карбону, до заданого тиску, (є) охолоджують стиснений потік, збагачений на дюксид карбону, принаймні частково шляхом посереднього теплообміну з потоком природного газу, який подають до паливного елемента, і одержують принаймні частково зріджений потік, збагачений на дюксид карбону, (є) після цього відокремлюють несконденсований газ від принаймні частково зрідженого потоку, збагаченого на дюксид карбону, і (ж) інжектують принаймні частково зріджений потік, збагачений на дюксид карбону, до збірника, який відрізняється тим, що одночасно з поданням анодного ВІДХІДНОГО газу з вихідного отвору анодного боку паливного елемента до установки допалювання, до неї подають кисень крізь селективну керамічну мембрану, при цьому відокремлюють кисень від азоту та спалюють в установці допалювання неспалений оксид карбону та водень без додавання суттєвої КІЛЬКОСТІ азоту до анодного ВІДХІДНОГО газу 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що спочатку надають змогу проходженню з анодного боку паливного елемента з твердим оксидом реакції нагрітого потоку природного газу низького тиску з водою, при цьому утворюють водень та оксид карбону, а потім надають змогу проходженню катодної та анодної реакцій для створення різниці потенціалів між анодом та катодом, у яких утворюється анодний ВІДХІДНИЙ газ, що включає воду та дюксид карбону 3 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що використовують керамічну установку допалювання, яка включає високотемпературну оксидну керамічну мембрану, що є проникною для кисню і яка є провідником ІОНІВ оксигену, і кисень подають крізь мембрану до анодного ВІДХІДНОГО газу 4 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що додатково відокремлюють воду від потоку, збагаченого на дюксид карбону, при цьому використовують пристрій для відокремлення води, де спочатку рідкий потік, збагачений на дюксид карбону, примушують до течи по трубопроводу з надзвуковою швидкістю, достатньою, щоб температура рідини були нижче точки конденсації води, причому трубопровід обладнують засобами для вихороутворення, за допомогою яких далі індукують відокремлення конденсованих крапель води від рідкого потоку відцентровими силами 5 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що збірник утворюють пористим простором підземного пласта 6 Спосіб за п 5, який відрізняється тим, що підземний пласт є пластом, що несе нафту та/або природний газ 7 Спосіб за п 6, який відрізняється тим, що зріджений потік, збагачений на дюксид карбону, вприскують до пласта, що несе нафту та/або природний газ, з якого видобувають природний газ, що подається до паливного елемента 8 Спосіб за п 7, який відрізняється тим, що спочатку природний газ розширюють до низького тиску у детандері для вироблення енергії, далі нагрі О 00 ю (О 46158 10 Твердий паливний елемент з установкою довають потік природного газу низького тиску шляпалювання за п 9, який відрізняється тим, що хом опосередкованого теплообміну, а потім подакерамічна мембрана є високотемпературною кисють потік природного газу до паливного елемента невою оксидною керамічною мембраною, яка є з твердим оксидом провідником ІОНІВ оксигену 9 Твердий паливний елемент з електролітом на основі твердого оксиду, обладнаний установкою 11 Твердий паливний елемент за п 10, який допалювання, який відрізняється тим, що уставідрізняється тим, що обоє, паливний елемент та новка допалювання містить керамічну мембрану, установка допалювання, обладнані рядом кеяка є по суті проникною для кисню і по суті непрорамічних мембранних труб, закритих з одного никною для азоту, і крізь яку кисень подається до кінця анодного ВІДХІДНОГО газу для оксидації неспалених компонентів у анодному відхідному газі Даний винахід стосується способу продукування електричної енергії з природного газу з використанням паливного елемента з електролітом на основі твердого оксиду Паливний елемент є гальванічним елементом, який може безперервно перетворювати хімічну енергію палива та окисника на електричну енергію за процесом, у якому бере участь інваріантна система електрод-електроліт Вираз паливний елемент використовується тут також по відношенню до множини елементів, які можуть бути розташовані послідовно чи паралельно Паливний елемент з електролітом на основі твердого оксиду є паливним елементом, що включає анодний бік та катодний бік, відокремлені один від одного за допомогою твердого електроліту Твердий електроліт є, наприклад, сумішшю оксиду ітрію та оксиду цирконію Перенесення заряду через електроліт від катоду до аноду здійснюється іонами оксигену Сумарна катодна реакція паливного елемента з твердим оксидом має вигляд 1/2(а+Ь)О2 + 2(а+Ь)е -> (а+Ь)Ог, а загальна анодна реакція має вигляд аН 2 + ЬСО + (а+Ь)О2 -» аН2О + ЬСО2 + 2(а+Ь)е Таким чином, анодний ВІДХІДНИЙ газ включає дюксид карбону та воду Заявник є особливо зацікавленим у експлуатації паливного елемента поблизу свердловини, яка продукує рідкі вуглеводні з підземного резервуара, причому це може бути газова свердловина чи нафтова свердловина, яка продукує також попутний газ В обох випадках одержують метанвмісний газ з високим тиском (25-50МПа) Дюксид карбону, який одержують як скид способу, зберігається у збірнику, який може бути підземним резервуаром Для цього дюксид карбону має бути стисненим до тиску, який дозволяє інжекцію дюксиду карбону до підземного резервуара Підземний резервуар може бути резервуаром, з якого видобувають рідкі вуглеводні, або водоносним пластом Таким чином, емісії дюксиду карбону не буде З опису Європейського патенту № 482222 відомо як генерувати електричну енергію з природного газу високого тиску з використанням паливного елемента з твердим оксидом У відомому способі (а) подають окисник до катодного боку паливного елемента, (б) перетворюють природний газ з анодного боку паливного елемента на водень та оксид карбону та надають змогу проходженню катодної та анодної реакцій для створення різниці потенціалів між анодом та катодом, у яких утворюється анодний ВІДХІДНИЙ газ, (в) видаляють збіднений на кисень окисник через вихідний отвір катодного боку і видаляють анодний ВІДХІДНИЙ газ через вихідний отвір з анодного боку, (г) подають анодний ВІДХІДНИЙ газ з вихідного отвору анодного боку паливного елемента до установки допалювання, (д) частково конденсують анодний ВІДХІДНИЙ газ та видаляють воду з анодного ВІДХІДНОГО газу і одержують потік, збагачений на дюксид карбону, (є) стиснюють потік, збагачений на дюксид карбону, до заданого тиску, (є) охолоджують стиснений потік, збагачений на дюксид карбону, принаймні частково шляхом непрямого теплообміну з потоком природного газу, який подають до паливного елемента, і одержують принаймні частково зріджений потік, збагачений на дюксид карбону, (ж) відокремлюють несконденсований газ від принаймні частково зрідженого потоку, збагаченого на дюксид карбону, і (з) зберігають принаймні частково зріджений потік, збагачений на дюксид карбону, у збірнику Інші ВІДОМІ системи паливних елементів, у яких ВІДХІДНІ гази піддають обробці різними способами, описані у японському патенті JP-A-6203845, у європейській патентній заявці 473152 та у патенті США 4250230 У способі, описаному у європейській патентній заявці № 482222, застосовують звичайну установку допалювання, яка використовує високотемпературний процес оксидації, у якому до анодного ВІДХІДНОГО газу додають значну КІЛЬКІСТЬ азоту Задачею даного винаходу є створення удосконаленого способу продукування електричної енергії з природного газу з використанням паливного елемента з електролітом на основі твердого оксиду, обладнаного установкою допалювання, у якій додання азоту до анодного ВІДХІДНОГО газу є мінімальним чи усунено Поставлена задача досягається тим, що у способі за даним винаходом використовується установка допалювання, до якої кисень подається 46158 + крізь селективну керамічну мембрану, що відокре2Н + 2е) та катодної реакції (1/2О2 + 2H + 2е -» млює кисень від азоту, і у якій оксид карбону та НгО) для створення різниці потенціалів між ановодень, що не згоріли, спалюються без додання дом та катодом, видалення збідненого на водень до ВІДХІДНОГО газу суттєвої КІЛЬКОСТІ азоту анодного ВІДХІДНОГО газу з анодного боку, і видалення дюксиду карбону зі збідненого на водень Азот утворює газ, що по суті не конденсується, анодного ВІДХІДНОГО газу який важко видалити з анодного ВІДХІДНОГО газу, і це ускладнює процедуру зберігання анодного ВІДУ відомому способі використовується нелужХІДНОГО газу у збірнику ний паливний елемент у формі паливного елеменДаний винахід пропонує інтегрований спосіб, у та з кислим електролітом, який є стійким до дюкякому електрична енергія може бути одержана при сиду карбону Таким чином, дюксид карбону, що низькому тиску з природного газу високого тиску, і утворюється як побічний продукт у перетворенні у якому одержують зріджений дюксид карбону з горючих копалин на водень, не чинить негативного підвищеним тиском, який може бути введений до впливу на експлуатаційні показники паливного підземного резервуару У способі за винаходом елемента енергію, одержану за рахунок розширення прироВидалення дюксиду карбону з анодного ВІДХІдного газу, що подається до паливного елемента, ДНОГО газу здійснюється шляхом абсорбції дюксизручно використовувати для принаймні часткового ду карбону водним розчином для поглинання, який стиснення збагаченого дюксидом карбону потоку, регенерують для одержання дюксиду карбону, що відходить з паливного елемента придатного для корисної мети Паливний елемент з твердим оксидом функціЦя публікація не стосується даного винаходу, онує при високих температурах, приблизно оскільки вона не описує інтегрованого способу 1000°С, і це дозволяє проводити у паливному продукування електричної енергії з природного елементі з твердим оксидом принаймні частину газу високого тиску Крім того, ця публікація не перетворення метану на водень та оксид карбону, описує регенерацію дюксиду карбону шляхом оскільки ця реакція каталізується металами на зрідження його при підвищеному тиску аноді Тому стадія (б) зручно включає створення Винахід зараз буде описаний більш детально умов з анодного боку паливного елемента з тверна прикладах з посиланням на супроводжуючі мадим оксидом для проходження реакції нагрітого люнки, на яких потоку природного газу низького тиску з водою для Фіг 1 зображує схематично установку для здійутворення водню та оксиду карбону, і надання снення даного винаходу, і змоги проходженню катодної та анодної реакцій Фіг 2 зображує схематично паливний елемент для створення різниці потенціалів між анодом та з твердим оксидом, обладнаний керамічною устакатодом, у яких утворюється анодний ВІДХІДНИЙ новкою допалювання газ, що включає воду та дюксид карбону Фіг 1 зображує блок-схему способу генеруванСпочатку певна КІЛЬКІСТЬ ВОДИ повинна бути ня електрики згідно з даним винаходом Природдодана до природного газу для ініціювання реакції ний газ високого тиску подається по трубопроводу перетворення метану, але потім з метаном буде 1 до детандера у формі турбодетандера 3, і приреагувати вода, що утворюється у анодній реакції родний газ високого тиску у турбод етан д ері 3 розширюється із зниженням тиску Турбодетандер З Винахід також стосується твердого паливного приводить у дію навантаження у формі електричелемента, який обладнано установкою допалюного генератора 6 Природний газ низького тиску вання проходить по трубопроводу 8 до паливного елеЗгідно З винаходом, установка допалювання мента з твердим оксидом 10 Природний газ низьвключає керамічну мембрану, яка є по суті проникого тиску, що проходить по трубопроводу 8, накною для кисню і по суті непроникною для азоту, і грівається шляхом посереднього теплообміну у крізь яку кисень подається до анодного ВІДХІДНОГО теплообміннику 11 газу для оксидації неспаленних компонентів у анодному відхідному газі Паливний елемент з твердим оксидом 10 Краще, якщо керамічна мембрана є високотевключає катодний бік 15, який має вхідний отвір 17 мпературною кисневою керамічною оксидною та вихідний отвір 18, та анодний бік 20, який має мембраною, яка є провідником ІОНІВ оксигену вхідний отвір 25 та вихідний отвір 26 Між катодним боком 15 та анодним боком 20 розташований Зручно, якщо обоє, паливний елемент і устатвердий електроліт ЗО, обладнаний анодом 33 з новка допалювання, обладнані комплектом кератого боку твердого електроліту, що виходить на мічних мембранних труб, закритих з одного кінця, анодний бік 15, і катодом 35 з протилежного боку через які циркулює повітря твердого електроліту ЗО Зараз наводиться посилання на опис патенту США № 4751151 Ця публікація описує спосіб проОкисник у формі повітря подається до вхідного дукування електричної енергії з горючих копалин, отвору 25 катодного боку 20 паливного елемента з які спочатку перетворюються в установці рифортвердим оксидом 10 по трубопроводу 37 мінгу на збагачений на водень паливний газ, який З водою, яка подається по трубопроводу 39, також містить дюксид карбону Відомий спосіб нагрітий природний газ низького тиску подається включає подання збагаченого на водень газоподідо вхідного отвору 17 катодного боку 15 паливного бного палива до вхідного отвору анодного боку елемента з твердим оксидом 10 3 катодного боку паливного елемента, подання повітря до катодно15 природний газ низького тиску перетворюється го боку паливного елемента і видалення збідненона водень та оксид карбону Перетворення відбуго повітря через вихідний отвір катодного боку, вається за реакцією НгО + СЬЦ -> ЗЬЬ + СО На надання змоги проходженню анодної реакції (ЬЬ -> катоді 35 відбувається катодна реакція, у якій 8 46158 утворюються іони оксигену, які можуть проходити агенте, наприклад, пропаном чи аміаком крізь твердий електроліт ЗО до аноду 33, де відбуУ сепараторі 63 несконденсований газ відовається анодна реакція, у якій утворюється анодкремлюють від зрідженого потоку, збагаченого на ний ВІДХІДНИЙ газ, що включає воду та дюксид кардюксид карбону Несконденсований газ видаляють бону Створюється різниця потенціалів між анодом по трубопроводу 66, а зріджений потік, збагачений 33 та катодом 35 За допомогою електропровідних на дюксид карбону, видаляють по трубопроводу проводів 41 та 42 клеми аноду 33 та катоду 35 67 приєднані до навантаження 44 Видалений зріджений потік, збагачений на дюксид карбону, подається до підземного резервуара Збіднене на кисень повітря видаляється по (не зображений), де він зберігається трубопроводу 46 з вихідного отвору 26 катодного боку 20, а анодний ВІДХІДНИЙ газ видаляється по У теплообміннику 49 нагрітий природний газ трубопроводу 47 з вихідного отвору 18 анодного низького тиску може бути додатково нагрітий до боку 15 потрібної робочої температури перед надходженням до паливного елемента з твердим оксидом 10 У теплообміннику 49 анодний ВІДХІДНИЙ газ Додатково, повітря, що подається до вхідного охолоджується і частково конденсується для того, отвору 25 катодного боку 20 паливного елемента з щоб видалити воду з анодного ВІДХІДНОГО газу у твердим оксидом 10 по трубопроводу 37, може сепараторі 51 Вода видаляється з сепаратора 51 бути нагрітим шляхом посереднього теплообміну по трубопроводу 54, а анодний ВІДХІДНИЙ газ, що (не зображений) з анодним ВІДХІДНИМ газом або із має знижений вміст води, проходить по трубопрозбідненим на кисень повітрям, яке виходить з каводу 56 до компресора 57 Анодний ВІДХІДНИЙ газ, тодного боку 20 по трубопроводу 46 який є потоком, збагаченим на дюксид карбону, стискається у компресорі 57 до заданого тиску, За варіантом втілення винаходу, описаним з який дозволяє інжекцію потоку до підземного репосиланням на Фіг 1, перетворення метану на зервуара (не зображений) Заданий тиск обираводень та оксид карбону відбувається з анодного ється таким чином, щоб дюксид карбону після набоку паливного елемента з твердим оксидом ступного охолодження міг бути поданим до Принаймні частина цієї реакції може проводитись підземного резервуара за допомогою вприскуваперед паливним елементом з твердим оксидом у льної помпи (не зображена) Компресор 57 привоокремому реакторі диться у дію електродвигуном 58, який принаймні Якщо несконденсований газ з сепаратора 63 частково приводиться у дію електроенергією, яку містить невикористаний водень чи оксид карбону, виробляє електричний генератор 6 він може бути повернений до анодного боку 15 паливного елемента з твердим оксидом 10 Згідно Стиснений потік, збагачений на дюксид карбоз винаходом, паливний елемент з твердим оксину, проходить по трубопроводу 60 через пристрій дом обладнаний керамічною секцією допалювандля відокремлення води 70 до теплообміннику 11 ня, у якій неспалені оксид карбону та водень спаПристрій для відокремлення води 70 скидає відолюються повністю по суті без додання азоту до кремлену воду через трубопровід 71 та теплообанодного ВІДХІДНОГО газу Це здійснюється шляхом мінник 72 до сепаратора 51 3 потоку, збагаченого обладнання паливного елемента з твердим оксина дюксид карбону, який йде від пристрою для дом 10 секцією допалювання 75, яка включає вивідокремлення води 70, відбирають воду таким сокотемпературну керамічну оксидну мембрану чином, щоб рівень води був достатньо низьким 76, через яку кисень (Ог) подається до анодного для того, щоб попереджати утворення гідратів ВІДХІДНОГО газу Мембрана 76 краще є мембраною, дюксиду карбону проникною для кисню, яка є добрим провідником Пристрій для відокремлення води 70 є, переІОНІВ оксигену Придатні матеріали для такої мемважно, пристроєм, у якому рідкий потік примушубрани 76 описані у статті «Ceramic Fuel Cells», ють до течи з надзвуковою швидкістю по трубонаписаній Nguyen Q Minn, у J A Ceramic Society, проводу таким чином, щоб знизити температуру vol 76(3), 563-588, 1993 рідини нижче точки конденсації води, і який додатково включає засоби вихроутворення, який надає вихрового руху рідкому потоку так, щоб краплини сконденсованої води відокремлювались від потоку газу відцентровими силами Такий пристрій для відокремлення води описаний, наприклад, у датській патентній заявці № 8901841 У теплообміннику 11 стиснений потік принаймні частково охолоджується шляхом посереднього теплообміну з потоком природного газу низького тиску у трубопроводі 8 перед паливним елементом з твердим електролітом 10 3 теплообмінника 11 виходить частково зріджений потік, збагачений на дюксид карбону, який подається до сепаратора 63 Якщо потрібно, перед сепаратором 63 може бути встановлений теплообмінник (не зображений), у якому конденсується додаткова КІЛЬКІСТЬ дюксиду карбону шляхом посереднього теплообміну з придатним холодильним агентом, який охолоджується у окремому циклі (не зображений) Холодильний ВІДПОВІДНО, електроліт на основі твердого оксиду є сумішшю 8% мас оксиду ітрію та 92% мас оксиду цирконію, причому анод містить нікель та оксид цирконію, а катод містить манганіт лантану Робоча температура паливного елемента з твердим оксидом становить від 900 до 1000°С, а його робочий тиск - від 0,1 до 1МПа (за манометром) Температура зрідженого потоку, збагаченого на дюксид карбону, становить від 5 до 20°С, а його тиск - від 3 до 8МПа (за манометром) Окисник, ВІДПОВІДНО, є повітрям, однак, замість цього може бути також використаний кисень чи збагачене на кисень повітря Зріджений дюксид карбону може зберігатись у збірнику, який може бути підземним резервуаром, і який є, ВІДПОВІДНО, підземним резервуаром, з якого видобувають метан (СЬЦ) За варіантом втілення, описаним з посиланням на Фіг 1, компресор 57 приводиться у дію 46158 повітря по повітроводах 89, аналогічних повітроелектродвигуном 58 Однак, турбодетандер 3 моводам 83 труб паливного елемента 82 же бути безпосередньо з'єднаним з компресором Камери 85 є гідравлічно з'єднаними одна з од57 За описаним варіантом втілення, турбодетанною та з внутрішнім простором установки допалюдер 3, так само як і компресор 57, включає лише вання 87 через отвори 90 Клапани 91 встановлені одну машину, однак вони можуть включати більш у відхідному трубопроводі 84 та всередині устаноніж одну машину, і у цьому випадку турбодетандер вки допалювання для регулювання та балансувключатиме більш ніж одну машину, зв'язані між вання потоку рідини крізь паливний елемент 80 та собою у відомий спосіб, і компресор у цьому випаустановку допалювання 87 дку включатиме більш ніж одну машину, зв'язані Труби для відокремлення кисню виготовлені з між собою у відомий спосіб матеріалу високотемпературної оксидної керамічДалі розглядається Фіг 2, де зображено палиної мембрани, який є проникним для кисню і який є вний елемент з твердим оксидом 80, який включає провідником ІОНІВ оксигену, але який є по суті незасоби подачі повітря 81 та ряд труб паливного проникним для азоту елемента 82, по яких повітря циркулює через повіВнаслідок цього лише мінімальна КІЛЬКІСТЬ троводи 83 у напрямі до ВІДХІДНОГО трубопроводу азоту додається до потоку анодного ВІДХІДНОГО 84 для скидання збідненого на кисень та збагачегазу 92, якщо додається взагалі, і додається по ного на азот повітря з паливного елемента 80 суті чистий кисень для спалювання будь-яких неПриродний газ, що містить метан (СНД подаспалених оксиду карбону та водню у зазначеному ється до ряду з'єднаних між собою камер 85 палипотоці 92 в установці допалювання 87 Звідси потік вного елемента 10 через вхідний отвір газу 86 анодного ВІДХІДНОГО газу, збагаченого на дюксид ЗОВНІШНІ поверхні труб паливного елемента 82 карбону та збіднений на оксид карбону, водень та утворюють анодний бік, а внутрішні поверхні труб азот, йде з установки допалювання 87 до трубопаливного елемента утворюють катодний бік папроводу скидання анодного ВІДХІДНОГО газу 93, у ливного елемента 80 якому знаходиться вхідний отвір подачі палива 94, Опис функціонування труб паливного елемензв'язаний з трубопроводом 94 подачі вологого газу та 83, зображених на Фіг 2, наведено у Кігкдо установки пре-риформінгу Трубопровід скиOthmer Encyclopedia of Chemical Technology, дання анодного ВІДХІДНОГО газу 93 може бути доFourth Edition, том 11, сторінки 1114-1121, опублідатково з'єднаним з обладнанням для висушуванкованій John Wiley & Sons, Inc ня, охолодження та стиснення у такий саме спосіб, Паливний елемент 80 обладнаний установкою як зображено для трубопроводу анодного ВІДХІДдопалювання 87, яка включає ряд керамічних труб НОГО газу 47 на Фіг 1 для відокремлення кисню 88, до яких подається /S////SS///// 37 ФІГ. 1 & ! • 0? + N^ ao ЛҐ 83 uh ^ LI Li І Li Li 82^ 9-V 4 83 Ct ^ \ /< 90 90 I/ 9 2 ^ 19b ВЄ JX -4f ^ ^ ^J \J uu и k^ ЧУ 35 Фіг. 2 ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна (044)456-20- 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71