CN114893156B - 一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统及方法。该系统包括二氧化碳置换法可燃冰开采模块、燃气锅炉、冷凝器、海水淡化模块、淡水箱、海上风机、电解槽、二氧化碳氢化反应器、甲烷氧化反应器以及甲烷燃料电池。本发明将可燃冰开采和海水淡化相结合，提供大量的淡水资源，同时实现负碳排放；梯级利用天然气在燃气锅炉燃烧生成的热量，最大程度利用能源；天然气富氧燃烧可以减少氮氧化物的生成，减少化石燃料对大气环境的影响；将海上风能资源转化为碳氢燃料加以合理利用，且甲烷燃料电池可以保证在风电不足的情况下整个系统可以正常运行；将天然气转化为液态燃料，降低了天然气的储运成本。
Description
技术领域
本发明属于海上能源综合利用领域，尤其涉及一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统及方法。
背景技术
可燃冰是一种在高压低温条件下形成的天然气水合物，其分子式为CH4.5﹒7H2O。根据统计，全球各大洋可燃冰的总量约为20万亿吨当量，相当于全世界煤、石油和天然气总储量的2倍，是21世纪最具有商业开采价值的新能源。国内外对可燃冰的开发利用投入了大量的人力物力，我国可燃冰资源储藏丰富，合理的开发利用可以弥补“少气”的能源禀赋缺陷。目前，可燃冰传统的开采方法主要采用降压、热激发、化学试剂法，这些方法极易造成可燃冰赋存区地层失稳，造成海底滑坡等自然灾害。
二氧化碳置换法是一种新的可燃冰开采技术，其原理是利用通入二氧化碳置换出天然气水合物中的甲烷，该方法可以将二氧化碳以水合物的形式储存在海底，还能减少地质灾害的风险。海上天然气的运输也是目前备受关注的技术问题，海上天然气主要采用罐装船运和管道输运两种运输方式，罐装船运存在一定的低温安全风险，而管道输运的成本过高，因此，亟需发展一种更加合理的海上天然气运输方法。
除了可燃冰这种传统的海上化石能源，近年来海上风电作为一种可再生能源发展十分迅猛，海上风电场离岸距离一般大于10公里，场区内不仅有丰富的风能资源，还有充沛的海水资源待人类开发利用。海上风电作为一种不稳定的清洁能源，电解水制氢是目前最有潜力的利用方式。
高效海水淡化技术是海上风电制氢的重要组成之一，目前海水淡化技术主要包括多级闪蒸、多效蒸发、电渗析以及反渗透膜四种方法，多级闪蒸和多效蒸发海水淡化需要稳定的热能供应，电渗析法能耗较大且获取的水质较差，反渗透膜法需要稳定电能供应和定期更换膜组件，因此，需要针对实际情况来选用最佳的海水淡化方式。
针对上述海上能源利用研究背景，亟需提出一种合理的方式来整合可燃冰开采、可燃冰储运、海水淡化、海上风电制氢等海上能源开发利用中存在的多种问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统及方法，该系统和方法可以很好地整合可燃冰开采、可燃冰储运、海上风电制氢、海水淡化等海上能源开发利用中存在的多种问题。
本发明是这样实现的，一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统，包括二氧化碳置换法可燃冰开采模块、燃气锅炉、冷凝器、海水淡化模块、淡水箱、海上风机、电解槽、二氧化碳氢化反应器、甲烷氧化反应器以及甲烷燃料电池；
所述二氧化碳置换法可燃冰开采模块利用从所述燃气锅炉获取的和额外补充的二氧化碳置换出可燃冰中的天然气；
所述燃气锅炉利用天然气燃烧释热来加热所述海水淡化模块的循环蒸汽，所述海水淡化模块利用高温循环蒸汽、采用多级闪蒸或多效蒸发方法来淡化海水；
所述冷凝器利用所述燃气锅炉排放的高温H2O及CO2预热待淡化的海水，并分离出高纯度CO2和淡水；
所述淡水箱用来储存从所述冷凝器和海水淡化模块获取的淡水；
所述淡水箱将淡水供给所述电解槽中，所述电解槽通过电解淡水来产生氢气和氧气，其中，产生的一部分氧气通入所述甲烷氧化反应器，用于氧化天然气生成甲醇，另一部分氧气通入所述燃气锅炉中用作助燃剂；产生的氢气通入所述二氧化碳氢化反应器中，与二氧化碳反应生成液态碳氢燃料，如甲醇和甲酸；
所述海上风机将海上风能转化为波动电能，为所述电解槽供电；
所述甲烷燃料电池将天然气转化为稳定电能，为所述电解槽供电。
进一步的，所述甲烷燃料电池也可以替换为燃气轮机发电机组。
进一步的，所述海水淡化模块中的高温蒸汽与海水换热后得到的低温蒸汽输回所述燃气锅炉中循环利用。
为实现上述目的，本发明还提供了一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，包括：
利用从燃气锅炉获取的和额外补充的二氧化碳置换出可燃冰中的天然气；
将一部分天然气通入燃气锅炉中燃烧，利用天然气燃烧释热来加热海水淡化模块的循环蒸汽，所述海水淡化模块利用高温循环蒸汽、采用多级闪蒸或多效蒸发方法来淡化海水；
燃气锅炉排放的高温H2O及CO2预热待淡化的海水，并通过冷凝器分离出高纯度CO2和淡水；
将从冷凝器和海水淡化模块获取的淡水储存在淡水箱中；
将淡水箱的淡水供给电解槽，所述电解槽通过电解淡水来产生氢气和氧气，其中，产生的一部分氧气通入所述甲烷氧化反应器，用于氧化天然气生成甲醇，另一部分氧气通入所述燃气锅炉中用作助燃剂；产生的氢气通入所述二氧化碳氢化反应器中，与二氧化碳反应生成液态碳氢燃料；
海上风机将海上风能转化为波动电能，用于电解水制氢；
将另一部分天然气通过甲烷燃料电池转化为稳定电能，在风电不足的情况下用于电解水制氢。
进一步的，将甲烷燃料电池生成的淡水储存在所述淡水箱中。
进一步的，所述甲烷氧化反应器采用一步氧化法生产甲醇。
进一步的，所述二氧化碳氢化反应器利用电解水产生的氢气和补充的二氧化碳生产甲醇或甲酸。
进一步的，也可以采用燃气轮机发电机组替换甲烷燃料电池发电。
进一步的，将所述海水淡化模块中输出的低温蒸汽输回所述燃气锅炉中作为循环冷却剂。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1、将可燃冰开采和海水淡化相结合，提供大量的淡水资源，同时实现负碳排放；
2、梯级利用天然气在燃气锅炉燃烧生成的热量，最大程度利用能源；
3、天然气富氧燃烧可以减少氮氧化物的生成，减少化石燃料对大气环境的影响；
4、将海上风能资源转化为碳氢燃料加以合理利用，且甲烷燃料电池可以保证在风电不足的情况下整个系统可以正常运行；
5、将天然气转化为液态燃料，降低了天然气的储运成本和风险。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个部件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参看图1，示出了本实施例提供的一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统，包括二氧化碳置换法可燃冰开采模块1、燃气锅炉2、冷凝器3、海水淡化模块4、淡水箱5、海上风机6、电解槽7、二氧化碳氢化反应器8、甲烷氧化反应器9以及甲烷燃料电池a。
其中，二氧化碳置换法可燃冰开采模块1为现有技术，本实施例不限定其具体的结构形式。该二氧化碳置换法可燃冰开采模块1利用从燃气锅炉2获取的和额外补充的二氧化碳置换出可燃冰中的天然气(CH4)。
燃气锅炉2利用天然气燃烧释热来加热所述海水淡化模块4的循环蒸汽，海水淡化模块4利用高温循环蒸汽、采用多级闪蒸或多效蒸发方法来淡化海水。海水淡化模块4中的高温蒸汽与海水换热后得到的低温蒸汽输回所述燃气锅炉2中。
所述冷凝器3利用所述燃气锅炉2排放的高温H2O及CO2预热待淡化的海水，并分离出高纯度CO2和淡水。
所述淡水箱5用来储存从冷凝器3和海水淡化模块4获取的淡水。
所述淡水箱5将淡水供给所述电解槽7中，所述电解槽7通过电解淡水来产生氢气和氧气，其中，产生的一部分氧气通入所述甲烷氧化反应器9，用于氧化天然气生成甲醇；另一部分氧气通入所述燃气锅炉2中用作助燃剂；产生的氢气通入所述二氧化碳氢化反应器8中，与二氧化碳反应生成碳氢燃料。
海上风机6将海上风能转化为波动电能，为所述电解槽7供电；甲烷燃料电池a将天然气转化为稳定电能，在风电不足的情况下为所述电解槽7供电。
容易理解的是，本实施例的甲烷燃料电池a可替换为燃气轮机发电机组。
本实施例还提供了一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，包括：
利用从燃气锅炉2获取的和额外补充的二氧化碳置换出可燃冰中的天然气；
将一部分天然气通入燃气锅炉2中燃烧，利用天然气燃烧释热来加热海水淡化模块4的循环蒸汽，所述海水淡化模块4利用高温循环蒸汽、采用多级闪蒸或多效蒸发方法来淡化海水；将所述海水淡化模块4中输出的低温蒸汽输回所述燃气锅炉中作为循环冷却剂，给燃气锅炉2散热；
燃气锅炉2排放的高温H2O及CO2预热待淡化的海水，并通过冷凝器3分离出高纯度CO2和淡水；
将从冷凝器3和海水淡化模块4获取的淡水储存在淡水箱5中；
将淡水箱5中的淡水供给电解槽7，所述电解槽7通过电解淡水来产生氢气和氧气，其中，产生的一部分氧气通入所述甲烷氧化反应器9，用于氧化天然气生成甲醇；另一部分氧气通入所述燃气锅炉2中用作助燃剂；产生的氢气通入所述二氧化碳氢化反应器8中，与二氧化碳反应生成碳氢燃料；
海上风机6将海上风能转化为波动电能，用于电解水制氢；
将另一部分天然气通过甲烷燃料电池a转化为稳定电能，用于电解水制氢。
甲烷氧化反应器9采用一步氧化法生产甲醇。
二氧化碳氢化反应器8利用电解水产生的氢气和补充的二氧化碳生产甲醇或甲酸。
在其他实施方式中，甲烷燃料电池a生成的淡水还可以存储在所述淡水箱5中。还可以采用燃气轮机发电机组替换甲烷燃料电池a燃烧天然气发电。
综上所述，本实施例提供的系统及方法具有以下优点：
1、利用开采的海上天然气燃烧释热来淡化海水，并梯级利用天然气富氧燃烧产生热量来预热海水和淡化海水；
2、将电解水产生的氢气与二氧化碳发生氢化反应生成碳氢燃料，同时充分利用绿氢(可再生能源产生的电能电解水产生的氢气称为“绿氢”)生产过程的副产品氧气，将一部分氧气与开采的天然气通过一步法合成甲醇，实现能源的液态储运；将一部分氧气用于天然气的富氧燃烧，生成高纯度的二氧化碳，并可将二氧化碳用于可燃冰开采；
3、该系统可以消纳额外的二氧化碳，将海上风能资源转化为碳氢燃料加以合理利用，从而产生碳经济；甲烷燃料电池a产生的稳定电能可以弥补风电不稳定的问题，在风电不足的时候保持整个系统的运行。
4、将天然气转化为液态燃料，降低了天然气的储运成本和风险。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统，其特征在于，包括二氧化碳置换法可燃冰开采模块、燃气锅炉、冷凝器、海水淡化模块、淡水箱、海上风机、电解槽、二氧化碳氢化反应器、甲烷氧化反应器以及甲烷燃料电池；
所述二氧化碳置换法可燃冰开采模块利用从所述燃气锅炉获取的和额外补充的二氧化碳置换出可燃冰中的天然气；
所述燃气锅炉利用天然气燃烧释热来加热所述海水淡化模块的循环蒸汽，所述海水淡化模块利用高温循环蒸汽、采用多级闪蒸或多效蒸发方法来淡化海水；
所述冷凝器利用所述燃气锅炉排放的高温H2O及CO2预热待淡化的海水，并分离出高纯度CO2和淡水；
所述淡水箱用来储存从所述冷凝器和海水淡化模块获取的淡水；
所述淡水箱将淡水供给所述电解槽中，所述电解槽通过电解淡水来产生氢气和氧气，其中，产生的一部分氧气通入所述甲烷氧化反应器，用于氧化天然气生成甲醇；另一部分氧气通入所述燃气锅炉中用作助燃剂；产生的氢气通入所述二氧化碳氢化反应器中，与二氧化碳反应生成碳氢燃料；
所述海上风机将海上风能转化为波动电能，为所述电解槽供电；
所述甲烷燃料电池将天然气转化为稳定电能，为所述电解槽供电。
2.如权利要求1所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统，其特征在于，所述甲烷燃料电池替换为燃气轮机发电机组。
3.如权利要求1所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统，其特征在于，所述海水淡化模块中的高温蒸汽与海水换热后得到的低温蒸汽循环输回所述燃气锅炉中。
4.一种应用如权利要求1所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运系统实现海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，其特征在于，包括：
利用从燃气锅炉获取的和额外补充的二氧化碳置换出可燃冰中的天然气；
将一部分天然气通入燃气锅炉中燃烧，利用天然气燃烧释热来加热海水淡化模块的循环蒸汽，所述海水淡化模块利用高温循环蒸汽、采用多级闪蒸或多效蒸发方法来淡化海水；
燃气锅炉排放的高温H2O及CO2预热待淡化的海水，并通过冷凝器分离出高纯度CO2和淡水；
将从冷凝器和海水淡化模块获取的淡水储存在淡水箱中；
将淡水箱的淡水供给电解槽，所述电解槽通过电解淡水来产生氢气和氧气，其中，产生的一部分氧气通入所述甲烷氧化反应器，用于氧化天然气生成甲醇；另一部分氧气通入所述燃气锅炉中用作助燃剂；产生的氢气通入所述二氧化碳氢化反应器中，与二氧化碳反应生成碳氢燃料；
海上风机将海上风能转化为波动电能，用于电解水制氢；
将另一部分天然气通过甲烷燃料电池转化为稳定电能，用于电解水制氢。
5.如权利要求4所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，其特征在于，将甲烷燃料电池生成的淡水储存在所述淡水箱中。
6.如权利要求4所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，其特征在于，所述甲烷氧化反应器采用一步氧化法生产甲醇。
7.如权利要求4所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，其特征在于，所述二氧化碳氢化反应器利用电解水产生的氢气和补充的二氧化碳生产甲醇或甲酸。
8.如权利要求4所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，其特征在于，采用燃气轮机发电机组替换甲烷燃料电池。
9.如权利要求4所述的海上风电制氢耦合可燃冰开采与储运方法，其特征在于，将所述海水淡化模块中输出的低温蒸汽输回所述燃气锅炉中作为循环冷却剂。
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