NO176297B - Fremgangsmåte for å generere elektrisitet - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å generere elektrisitet ved anvendelse av et brenselcelle-system.

For å generere elektrisitet av fossilt brennstoff eller brennstoff på basis av andre hydrokarboner er det vanlig å gjøre bruk av elektriske kraftstasjoner i hvilke brennstoffet, så som olje eller naturgass, blir forbrent for å drive gassturbiner og/eller dampturbiner, som i sin tur er forbundet med elektriske generatorer.

En viktig ulempe med slike systemer ligger i deres relativt lave elektriske virkningsgrad. Det er gjort forsøk for å fjerne denne ulempen ved anvendelse av systemer som har en høyere virkningsgrad, så som brenselcelle-systemer. I slike systemer kan fossilt eller annet brennstoff omformes i en H2-produserende enhet til en gass som inneholder H2, hvilken gass, dersom det er ønskelig etter ytterligere rensing, blir matet til anoderommet til en brenselcelle-enhet. Slike systemer er allerede kjent og mange forskningsoppdrag blir fremdeles utført for å forbedre disse systemene.

Anvendelsen av slike systemer har et antall fordeler.

For det første er virkningsgraden til brenselcellene høy, spesielt når de forskjellige delene i systemet er integrert på passende måte. I et slikt tilfelle kan virkningsgraden til den totale kraftstasjonen bli enda høyere enn virkningsgraden til brenselcellen. For det andre frembringes en elektrisitets-produksjon med lavt utslipp av skadelige substanser, og for det tredje er dellast-egenskapene gode, hvilket betyr at selv ved lav belastning oppnås god virkningsgrad. Til slutt er det også den fordelen at en modulær konstruksjon er mulig.

Kraftstasjoner basert på brenselceller omfatter vanligvis en forbehandling av brennstoffet (fjerning av svovel og forvarming), en omforming av brennstoffet til en gass som inneholder H2 og Co ved hjelp av dampgjenforming, fulgt av en skifte-reaksjon for ytterligere omforming av CO til H2. Etter fjerning av urenheter, dersom det er noen, er gassen egnet for anvendelse i en brensels-celle.

Denne gassen blir matet til anoderommene til brenselcelle-enheten, mens en gass som inneholder 02 blir matet til katoderommene til den samme enhet. I brenselcellen blir elektrisitet og varme generert og elektrisiteten blir vanligvis omformet til vekselstrøm som skal anvendes i kraftnettet. Varmen må avledes for å forhindre at cellen blir for varm.

Forskjellige typer brenselceller er kjent, og hoved-forskjellen ligger vanligvis i typen elektrolytt som anvendes. Disse elektrolytter er godt beskrevet i litteraturen og omfatter blant andre, fosforsyre, smeltet karbonat, alkalin-elektrolytter, faste oksyder og faste polymerer.

Rapporten til E.R. Elzinga m.fl., EPRI EM-384, januar 1977, EXXON-selskapet, "Application of the Alsthom/Exxon alkaline fuel cell system to utility power generation", sidene A2-4, og sidene 3-4 til 3-6, inneholder en beskrivelse av anvendelsen av alkaliske brenselceller for genereringen av strøm.

Fra britisk patentsøknad nr. 2,182,195 er kjent en fremgangsmåte for generering av elektrisitet fra et brennstoff på basis av et eller flere hydrokarboner. Den britiske søknaden angår imidlertid delvis oksidering som et middel for å generere varme for videre reaksjoner. Fransk patent nr. 1,512,172 omtaler også en fremgangsmåte for generering av elektrisitet på beslektet måte, og selv om varmegjenvinning nevnes i patentet, benyttes et annet prinsipp enn i foreliggende oppfinnelse.

For å oppnå tilstrekkelig høy virkningsgrad anvendes en vesentlig integrasjon av de forskjellige prosess-strømmene i de foreliggende systemer. Dette betyr imidlertid at i tilfellet med sammenbrudd i en eller flere deler av kraftstasjonen, eller i tilfelle avbrudd i strømbehovet, må hele kraftstasjonen ofte stoppes. Det er selvfølgelig mulig å unngå disse problemene ved å anvende en vesentlig mindre sterk integrasjon. Dette har imidlertid ulempe med redusert virkningsgrad.

Ved anvendelse av brenselcelle-systemer er det viktig på den ene side å ha en god varmegjenvinning tilgjengelig, mens på den andre siden er det ønskelig med en god stabilisering av

hele systemet og en god styring.

Det er et formål med. oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for å generere elektrisitet fra et brennstoff på basis av et eller flere hydrokarboner under bruk av et brenselcelle-system hvori en vesentlig integrasjon anvendes, men hvor problemene som er tilknyttet dette ikke opptrer eller opptrer i svært liten grad, samtidig som det oppnås en enkel og hensiktsmessig regulerbar kraftstasjon.

Oppfinnelsen relaterer seg derfor til en fremgangsmåte for å generere elektrisitet fra et brennstoff på basis av et eller flere hydrokarboner, hvorved

brennstoffet omformes katalytisk til en gass som inneholder CO og H2,

- den resulterende gassen avkjøles under dannelse av prosessdamp, den avkjølte gassen mates til minst en skiftreaktor, i hvilken minst en del av tilstedeværende CO og damp omformes under dannelse av H2, den H2-holdige gassen mates til anoderommene i minst en brenselcelle-enhet, som holdes ved driftstemperatur ved kjøling og samtidig dannelse av prosessdamp, - forskjellen mellom brenselcelle-enhetens driftstemperatur og temperaturen av gassen som tilføres skiftreaktoren, holdes under 50°C,

en brennstoffcelle-enhet anvendes med driftstemperatur på minst 125°C, og

den frembrakte prosessdampen anvendes også til å oppvarme innmatingen til brenselcellene.

Fremgangsmåten kjennetegnes spesielt ved at dannelsen av prosessdampen foretas i ett og samme dampsystem, hvorved det fastlegges en damptemperatur i dampsystemet ved styringen av damptrykket, hvilken damptemperatur ligger under cellens driftstemperatur for å bortlede overskuddsvarmen.

Anvendelsen av det ytre temperatur-området og integrasjonen for å opprettholde brenselcelle-enheten ved driftstemperaturen ved oppvarming av innmatingen til brenselcelle-enheten, gjør det mulig i henhold til oppfinnelsen å effektuere en vesentlig integrasjon av de forskjellige trinnene i prosessen.

I henhold til oppfinnelsen anvendes et integrert dampsystem for å mate og avlede varme til og fra de forskjellige delene av prosessen og mer spesielt damp-produksjonen på basis av varmen frembrakt i skiftreaktoren og brenselcelle-enheten. Det blir startet fra ett og samme integrerte dampsystem for H2-fremstillingsenhetene og for brenselcelle-enheten, hvilket bl.a. betyr at for alle disse enhetene fungerer dampsystemet ved det samme trykk og temperatur.

Trinnene i samsvar med en foretrukket utførelse av prosessen i henhold til oppfinnelsen gir muligheten for å realisere optimal integrasjon av de forskjellige delene av prosessen uten at en utsettes for de forventede ulemper i tilfellet en vesentlig integrasjon. I praksis har det vist seg vanskelig å holde de kjente brenselcelle-prosessorene i drift uten sammenbrudd i en lengre tidsperiode. Problemer som oppstår med dette var resultatet av integrasjonen, hvor avvik i et bestemt prosess-trinn forårsaket sammenbrudd i et annet prosess-trinn.

En har nå funnet at som et resultat av integrasjonen i henhold til oppfinnelsen hvor hele kraftstasjonen er integrert via et enkelt dampsystem som fortrinnsvis mater mer damp enn det som er nødvendig for å drive kraftstasjonen, så er mulighetene for å kompensere avvik og sammenbrudd mye større slik at avvik og sammenbrudd ikke umiddelbart resulterer i en nedkjøring av hele kraftstasjonen. Siden temperaturen til dampsystemet på enkel måte kan opprettholdes, dersom det er nødvendig sammen med en oppstartoppvarming ved hjelp av brennstoff matet fra utsiden, kan driftstemperaturen til skiftreaktoren og brenselcellen også opprettholdes i tilfellet en nedkjøring, hvilket sterkt forenkler en senere oppstart.

Også i tilfellet med en oppstart av kraftstasjonen har prosessen i henhold til oppfinnelsen, mange fordeler, siden anvendelsen av integrasjonen ved hjelp av temperaturen til de forskjellige delene forenkler forvarming til driftstemperaturen, hvoretter det kan foretas ingen hurtig og effektiv start.

Prosessen i henhold til oppfinnelsen består i hovedsak av fire forskjellige trinn. Det første trinnet består i omformingen av brennstoffet som skal anvendes, som kan være forbehandlet, i tilstedeværelsen av damp i en blanding bestående av H2, CO, C02, H20, CH4 og ytterligere gass-aktige bestanddeler. I avhengighet av typen brennstoff, kan det være nødvendig å foreta en forbehandling. Dette kan være nødvendig for å beskytte katalysene mot forgiftning eller ødeleggelse, eller for å tilveiebringe optimal prosess-tilstand. Eksempler på slik forbehandling, er fjerning av svovel, varmeutveksling, filtrering, etc.

I avhengighet av typen brennstoff som skal anvendes, kan temperaturen til dampreformerings-reaksjonen variere fra 250°C til 1000°C. Alkanoler, så som etanol, krever lavere temperatur enn hydrokarboner, så som nafta og naturgass. For nafta og naturgass er det konvensjonelle temperatur-området fra omtrent 600 til 1000°C. Anvendelsen av de sistnevnte temperaturer foretrekkes. For dampreformering er det konvensjonelle trykkområdet fra 1 til 50 bar.

Gassen som frembringes i dette første trinnet blir matet til det andre trinnet, skiftreaksjonen, hvor i tilstedeværelsen av damp i det minste en del av CO-innholdet blir ytterligere omformet. Denne reaksjon finner sted i tilstedeværelsen av en katalysator. I praksis kan forskjellige typer katalysatorer anvendes. Valget er i det minste delvis bestemt av temperaturen som skal anvendes i dette trinnet. Generelt er denne temperaturen i området 150 til 500°C.

Egnede katalysatorer kan være basert på Cu/Cn eller Fe/Cr. Disse katalysatorer blir fortrinnsvis påført et binært bæremateriale. I denne forbindelsen observeres at skiftreaksjonen er en eksotermisk reaksjon slik at driftstemperaturen til reaktoren generelt er høyere enn temperaturen til innløpet, d.v.s til gassen som mates til reaktoren.

I det tredje prosesstrinnet finner en varmeveksling sted mellom de forskjellige prosessdamp-strømmer. I lys av til-knytningen til de andre prosesstrinnene vil dette bli beskrevet etter beskrivelsen vedrørende det fjerde prosesstrinnet.

Det fjerde prosesstrinnet blir utført i brenselcelle-enheten. Denne enhet består av i og for seg kjente brenselceller kombinert til en enhet (stabel). Det er vesentlig at driftstemperaturen til cellen i det minste er lik 125°C, for dersom det ikke er tilfelle vil fordelene med prosessen i henhold til oppfinnelsen bare oppnås i en utilstrekkelig grad. Den øvre grensen til temperaturen er 500°C, fortrinnsvis 4 00°C, siden høyere temperaturer ikke gir noen tilleggsfordeler. En type brenselcelle som er utmerket egnet for anvendelse i prosessen i henhold til oppfinnelsen er brenselcellen basert på fosforsyre. Denne cellen arbeider ved en temperatur 150 til 200°C, fortrinnsvis 180°C. I brenselcellen blir hydrogen omformet med oksygen til elektrisk effekt og varme. Denne varmen må avledes for å opprettholde temperaturen på det riktige nivå. I prinsippet blir dette utført ved hjelp av et dampsystem hvor trykket er slikt valgt at damptemperaturen er tilstrekkelig under driftstemperaturen til cellen for å avlede overskuddsvarmen. En egnet temperatur-forskjell er maksimalt 50°C, fortrinnsvis 5 til 25°C. Som et eksempel kan det indikeres at ved en brenselcelle-temperatur på 180°C kan det være passende å bruke en damptemperatur på 170°C, hvilket korresponderer med et damptrykk på 8 bar.

Det observeres videre at anvendelsen av brenselceller på basis av alkaliske elektrolytter ikke foretrekkes, hvilket skyldes deres lave driftstemperatur hvorved mulighetene for integrasjon generelt er for små.

Etter forvarming av gassen som inneholder hydrogen blir

denne matet i det tredje trinnet til anoderommene, mens gassen som inneholder oksygen etter forvarming blir matet til katoderommene. Generelt finner ingen omforming sted i brenselcellen, slik at to restgasser frembringes. Gassen som inneholder

hydrogen består generelt av 5 til 45 % av det opprinnelige

innholdet av hydrogen. Denne restgassen blir fortrinnsvis brukt som et brennstoff for dampreformerings-trinnet.

Omformingen av oksygen vil vanligvis være lavere enn omformingen av hydrogen. Siden luft er mest brukt til dette formålet, blir restgassen blåst ut, om nødvendig etter varmegjenvinning.

Gassen fra skiftreaktoren blir behandlet i det tredje trinnet av prosessen i henhold til oppfinnelsen for å kunne frembringe en optimal mategass for brenselcelle-enheten. En maksimal anvendelse av varmevekslere fører til en høyest mulig effektivitet eller virkningsgrad, og samtidig til en passende temperaturstyring av de forskjellige prosess-trinnene.

Driftstemperaturen til skiftreaktoren er valgt til en verdi nær driftstemperaturen til brenselcellen. Temperaturen til skiftreaktoren er fortrinnsvis litt over temperaturen til brenselcellen. Mategassen fra dampreformeringen er for varm til umiddelbart å kunne mates til skiftreaktoren og den må derfor avkjøles til den ønskede verdien.

Ved anvendelse av prosessen i henhold til oppfinnelsen kan dette gjøres på enkel måte ved hjelp av varmeveksling i dampproduksjonssystemet, for eksempel en dampbeholder. Overskuddsvarme blir omformet til damp, mens det ytterligere oppnås en ideell temperaturstyring for skiftreaktorens innløps-temperatur.

Den hydrogenrike gass-strømmen fra. skiftreaktoren må først avkjøles før den kondenseres og overskuddsdamp og urenheter fjernes. Gassen blir tilgjengelig ved en temperatur på omtrent 25 til 75°C og må forvarmes til omtrent 150 til 250°C. Gassen som inneholder oksygen må også oppvarmes til denne temperaturen. Dette gjøres på enkel måte ved hjelp av dampen generert i systemet, for eksempel via kondensasjon av damp.

Overskuddsvarme fra brenselcellen blir også omformet til damp. En varmebalanse i dampsystemet indikerer at produksjonen av damp er tilstrekkelig for behovene for hele kraftstasjonen, hvilket betyr at det er mulig å opprettholde hele systemet i en stabil tilstand ved å fjerne damp, hvorved driften blir ytterligere forbedret og forenklet. Før dampen blir fjernet kan den anvendes for degassing av kokemate-vann.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende illustreres med henvisning til medfølgende tegning som viser et blokk-skjema av en utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Et hydro-karbonbasert brennstoff blir matet gjennom ledning 1 til svovelfjerneren 2. Brennstoffet som svovelet er fjernet fra, blir matet gjennom ledning 3 til dampreformer 4, etter at brennstoffet er blitt blandet med damp matet gjennom ledning 5. Gjennom ledning 6 blir brennstoff (brennstoffgass) matet for dampreformeringen, hvilket brennstoff kommer fra en senere del av prosessen. Dersom det er ønskelig kan tilleggsbrennstoff mates gjennom ledning 7 til dampreformeren 4. En gass som inneholder 02 blir matet gjennom ledning 8 for forbrenningen. Den produserte gass som inneholder H2 og CO, blir matet gjennom ledning 9 til varmeveksler 10, i hvilken gassen blir avkjølt til den ønskede temperatur ved hjelp av et varmevekslingsmedium som mates og avledes gjennom ledningene lia og 11b. I dampkjelen 12, blir denne varmen omformet til damp.

Den således avkjølte gass blir matet gjennom ledning 13 til skiftreaktor 14. I denne reaktor blir en stor del av CO som er til stede i gassen omformet med dampen som allerede er til stede i gassen til hydrogen. Gassen blir matet gjennom ledning 15 til varmeveksler 16 i hvilken den blir avkjølt ved hjelp av kjølevann matet og avledet gjennom ledning 17. Gjennom ledning 18 blir gassen matet til utløpskjele 19 i hvilken de kondenserte urenhetene og vann blir adskilt og avledet gjennom ledning 20.

Gjennom ledning 21 blir den således rensede og tørkede gassen matet til varmeveksler 22 i hvilken den blir oppvarmet ved hjelp av kondensasjonsdamp matet gjennom ledningen 23a. Kondensatet blir ført tilbake gjennom ledning 23b til dampkjelen 12. Gjennom ledning 24 blir gassen som inneholder H2 så matet til anoderommene til brenselcelle-enheten 25.

Gjennom ledningene 26 og 26a blir den gass som inneholder oksygen, så som luft, matet til katoderommene til brenselcelle-enhetene 25. I ledningen 26a er det anordnet en varmeveksler 27 i hvilken gassen blir oppvarmet med kondensasjonsgass på en måte som kan sammenlignes med måten beskrevet for varmeveksleren 22. Matingen og avledningen av damp eller kondensat finner sted gjennom ledningene 28a og 28b.

Utformingen ovenfor er basert på anvendelsen av separate varmevekslere 22 og 27. Det er imidlertid også mulig å utføre varmevekslingen i dampkjelen 12.

I brenselcelleenheten 25 fremstilles elektrisitet som blir tatt ut ved hjelp av ledning 29. Gjennom ledning 30 blir restgassen som fremdeles inneholder 02 ført bort. Restgassen som fremdeles inneholder H2 blir returnert via ledning 6 som en brennstoffgass til dampreformeren 4.

Via ledning 31a blir vann matet til brenselcelle-enheten 25 som hvilket vann opptar overskuddsvarmen, og som blir returnert via ledning 31b til dampkjelen 12 i hvilken damp fremstilles.

Kjølekretsen til brenselcelle-enheten 25 kan danne en del av et integrert dampsystem, men det kan også være fordelaktig å anvende en lukket kjølekrets for avledningen av varme fra brenselcelle-enheten. I det tilfellet blir varme avledet fra brenselcelle-enheten ved hjelp med en væske, så som vann, eller en annen varmeoverføringsvæske, hvilken varme kan over-føres til andre prosess-strømmer ved hjelp av varmevekslere, mens overskuddsvarmen blir omformet til prosess-damp.

Overskuddet av damp som fremstilles blir avledet gjennom ledning 32, som også tjener til å styre temperaturen i hele systemet.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives som et eksempel som imidlertid bare er ment som en illustrasjon.

Eksempel

Til en kraftstasjon som vist på figuren og som er utstyrt med en brenselcelle på basis av fosforsyre ble 100 kmol pr. time av naturgass (Slochtern gass) matet med et energi-innhold på 38,474,0 kJ/kg. Et damp-karbonforhold på 3,3 ble brukt i matingen av dampreformeren ved en temperatur på 730°C og et trykk på 1,3 bar. Metandelen var 0,44 % (tørr).

Den resulterende gassen som inneholder H2 og CO ble avkjølt til en temperatur på 200°C og matet til skiftreaktoren, som ble drevet på en temperatur på omtrent 250°C. Den varmeavledende gassen ble brukt for å produsere damp som hadde et trykk på 8 bar og en temperatur på 170°C.

Gassen som ble produsert i skiftreaktoren ble avkjølt og de kondenserte materialene ble avskilt, og den resulterende gassen som inneholdt 345,5 kmol/h H2, ble oppvarmet til en temperatur på 160°C ved hjelp av kondensasjonsdamp, hvoretter den ble matet til brenselcelle-enheten som hadde en driftstemperatur på 180°C. Den direkte elektrisitets-produksjonen var 8,8 megawatt, mens 8,7 megawatt lavtrykksdamp ble generert som ble brukt andre steder i systemet.

Omtrent 8 0 % av det matede H2 ble omformet. Restgassen ble matet sammen med naturgass til dampreformeren. Denne dampreformer brukte 6,9 megawatt, hvorav 5,2 megawatt ble opptatt, hvilket tilsvarer en virkningsgrad på 75%.

Den totale effektforsyningen til kraftstasjonen var 21,6 megawatt. Dersom det tas hensyn til det nødvendige energibehovet til kraftstasjonen, var virkningsgraden omtrent 39%, beregnet som forholdet mellom mengden av vekselstrøm som ble fremstilt i forhold til den "lave oppvarmingsverdi" til matingen (x 100%).

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for å generere elektrisitet fra et brennstoff på basis av et eller flere hydrokarboner, hvorved brennstoffet omformes katalytisk til en gass som inneholder CO og H2, den resulterende gassen avkjøles under dannelse av prosessdamp, den avkjølte gassen mates til minst en skiftreaktor, i hvilken minst en del av tilstedeværende CO og damp omformes under dannelse av H2, den H2-holdige gassen mates til anoderommene i minst en brenselcelle-enhet, som holdes ved driftstemperatur ved kjøling og samtidig dannelse av prosessdamp, forskjellen mellom brenselcelle-enhetens driftstemperatur og temperaturen av gassen som tilføres skiftreaktoren, holdes under 50°C, - en brennstoffcelle-enhet anvendes med driftstemperatur på minst 125°C, og - den frembrakte prosessdampen anvendes også til å oppvarme innmatingen til brenselcellene, karakterisert ved at dannelsen av prosessdampen foretas i ett og samme dampsystem, hvorved det fastlegges en damptemperatur i dampsystemet ved styringen av damptrykket, hvilken damptemperatur ligger under cellens driftstemperatur for å bortlede overskuddsvarmen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den H2-holdige gassen avkjøles for å kondensere størsteparten av forurensningene.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at naturgass, LPG, nafta, biogass, gass fra husholdningsavfall og lavere alkanoler anvendes som brennstoff.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at det anvendes en brenselcelle-enhet med driftstemperatur mellom 125°C og 500°C.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav,, karakterisert ved at det anvendes en brenselcelle-enhet på basis av fosforsyre.

6. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at forskjellen mellom dampsystemets driftstemperatur og brenselcelle-enhetens driftstemperatur ikke er høyere enn 50°C.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at forskjellen ligger mellom 7 og 25°C.

8. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den katalytiske omforming av gassen som inneholder CO og H2 utføres ved en temperatur i området mellom 600 og 1000°C.