PL235858B1 - Układ otrzymywania energii elektrycznej z gazów zawierających metan - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ otrzymywania energii elektrycznej z gazów zawierających metan. Znany jest z patentu PL 216476 sposób i układ do wytwarzania czystego wodoru z paliw gazowych, znajdującego zastosowanie do zasilania ogniw paliwowych. Sposób polega na tym, że paliwo gazowe o wzorze ogólnym CxHyOz w temperaturze od 5 do 300°C oraz parę wodną i tlen w temperaturze od 5 do 1500°C w proporcji molowej określonej stosunkiem C/O wynoszącym 0,5 i C/H od 0,12 do 0,8 zatłacza się do katalitycznego reaktora oksyformowania (RO), w którym utrzymywane jest ciśnienie od 0,1 do 8 MPa i otrzymuje się produkty oksyformowania w postaci H2, H2O, CO i CO2, które następnie zatłacza się do układu separacji H2(US H2), w którym separuje się wodór, a pozostałe składniki doprowadza się do układu separacji CO2 (US CO2), a następnie po usunięciu CO2, mieszaninę H2O i CO zawraca się ponownie na wlot reaktora oksyformowania (RO), gdzie miesza się ją z ze świeżymi strumieniami substratów, przy czym wydzielony wodór z układu separacji H2 (US H2) zasila ogniwo paliwowe (OP), w którym następuje konwersja wodoru na energię elektryczną, która jest częściowo wykorzystywana do zasilania układu generacji O2 (UG O2). Układ do wytwarzania czystego wodoru z paliw gazowych zawiera katalityczny reaktor oksyformowania (RO), który jest połączony z układami separacji H2 (US H2) i CO2 (US CO2), przy czym układ separacji H2 (US H2) połączony jest z ogniwem paliwowym (OP), który następnie połączony jest z układem generacji O2 (UG O2).

Z kolei z patentu RU 2426715 znany jest sposób jednorodnego utleniania gazu zawierającego metan, obejmującego wprowadzanie do obiegu gazu zawierającego metan, wstępnie ogrzanego do 430-450°C w co najmniej trzech szeregowo rozmieszczonych reaktorach utleniających wykonanych ze stali węglowej. Każdy z reaktorów, z wyjątkiem ostatniego, jest oddzielnie podłączony do kotłów grzewczych. Tlen jest również wprowadzany do reaktorów w takiej ilości, że mieszanina tworzy się poza obszarem wybuchowym, co powoduje jednorodne utlenianie gazu zawierającego metan, jednocześnie podnosząc temperaturę mieszaniny gazów do 540-560°C. Późniejsze chłodzenie mieszaniną gazową odbywa się w kotłach spalinowych do temperatury 440-450°C przez doprowadzanie wody do kotłów spalinowych, w których powstaje para, która jest podawana do kolumn frakcjonujących do oddzielania produktów końcowych. Ponadto, mieszanina reakcyjna z ostatniego reaktora, który nie jest połączony z kotłem spalinowym, wchodzi do separatora. W drodze do separatora mieszanina reakcyjna podgrzewa gaz, a część jego ciepła służy do otrzymywania pary wodnej, która jest mieszana z parami z kotłów wymiany ciepła. Z separatora faza ciekła wchodzi w etap frakcjonowania, w którym uzyskuje się rektyfikację metanolu, a także alkohol etylowy i formaldehyd. Faza gazowa przechodzi do absorberów w celu usunięcia SO2, CO i CO2. W pierwszym absorberze faza gazowa jest oczyszczana z SO2 oraz z CO i CO2 w drugim absorberze, po czym następuje ekstrakcja wspomnianych gazów z roztworu absorpcyjnego drugiego absorbera w desorberze. Wyloty fazy płynnej absorberów są połączone z kolektorami w celu ułatwienia regeneracji roztworów absorpcyjnych z separacją i wylotem frakcji CO i CO2 z desorbera. Wyloty kolektorów są połączone z wlotami absorberów w celu doprowadzania uformowanych roztworów do usuwania SO2, CO i CO2 z gazu. Podczas czyszczenia fazy gazowej cykl cyrkulacji jest częściowo nadmuchiwany w celu usunięcia gazów obojętnych, na przykład azotu i argonu wchodzących w cykl razem z gazem zawierającym metan i tlenem. Liczba uderzeń zależy od ilości gazów obojętnych dostępnych w cyklu. Po oczyszczeniu i przedmuchiwaniu cykl zamyka się przez wstrzyknięcie fazy gazowej, która składa się z gazu zawierającego metan i gazu z drugiego absorbera.

Znany jest z opisu patentowego WO2009103554 układ ogniw paliwowych o wysokiej temperaturze, oraz sposób wytwarzania energii i ciepła za pomocą systemu ogniw paliwowych o wysokiej temperaturze. W tym wysokotemperaturowym systemie ogniw paliwowych z reformerem do przekształcania paliwa z mieszanin metanu i wody przy użyciu powietrza w gaz anodowy bogaty w wodór, stos ogniwa paliwowego do przekształcania bogatego w wodór gazu anodowego, z dostarczaniem gazu katodowego, w energię i ciepło oraz ewentualnie dopalacz do dopalania reformatu zubożonego w wodór, który wypływa ze stosu ogniw paliwowych, z dostarczaniem gazu katodowego. W tym wynalazku wydajność można zwiększyć przez reaktor separacyjny do oddzielania tlenu z powietrza, w którym tlen, który jest oddzielany podczas pracy, może być użyty przynajmniej częściowo jako wspomniany gaz katodowy. Ponadto reformer oraz reaktor separacyjny zawierają katody w postaci perowskitu ceramicznego w postaci membran.

Z kolei z patentu DE102010035885 znany jest sposób wytwarzania gazu syntezowego przez reformowanie gazów zasilających zawierających węglowodór w obecności pary i tlenu obejmuje: wpro

PL 235 858 B1 wadzenie gazów zasilających zawierających węglowodory wraz z gazem i parą bogatą w tlen w autotermalnym reformatorze, w którym gaz procesowy jest prowadzony w pierwszej strefie częściowego utleniania i jest regulowany w drugiej strefie w obecności katalizatora o pożądanej kompozycji wylotowej powstającego surowego gazu syntezowego; chłodzenie surowego gazu syntezowego; wprowadzenie ochłodzonego gazu syntezowego do jednostki konwersji monotlenku węgla, w którym tlenek węgla jest przekształcany i powstaje konwertowany gaz syntezowy; i poddawanie przekształconego gazu syntezowego jedno- lub wielostopniowego oczyszczania gazu, w którym usuwa się dwutlenek węgla, tlenek węgla i metan, gdzie wytwarza się gaz syntezowy i dostarcza do syntezy amoniaku. Autotermiczne reformowanie węglowodorów zawierających węglowodory odbywa się przy niskim stosunku para/węgiel 0,1-0,6. Dodatkowa para wodna wymagana w przekształconym gazie syntezowym jest bezpośrednio dodawana przed jednostką konwersji monotlenku węgla do ochłodzonego gazu syntezowego i/lub bezpośrednio wprowadzana do jednostki konwersji monotlenku węgla. Dodatkowa para wodna wymagana w etapie chłodzenia surowego gazu syntezowego jest: dostosowana do takiego samego lub podobnego ciśnienia i/lub temperatury niż ochłodzony gaz syntezowy przed przejściem przez etap konwersji monotlenku węgla; i początkowo zrelaksowany, a następnie wprowadzony do jednostki konwersji monotlenku węgla. Bogaty w tlen gaz zawiera czysty tlen, który prowadzi do autotermicznego reformowania węglowodorowych gazów zawierających węglowodory, w których powietrze i czysty tlen są oddzielane od siebie i/lub dostarczane w postaci mieszaniny. Etap schładzania surowego gazu syntezowego jest przeprowadzany w wytwornicy pary, w której ciepło zawarte w surowym gazie syntezowym jest przekazywane do wody i wytwarzana jest para wodna, w której para jest wykorzystywana do reformingu katalitycznego i/lub dodawana do surowca - gaz syntezowy jednostki konwersji monotlenku węgla.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że na wejściu do procesu jest separator, połączony na wejściu z zaworem dopływu gazu zawierającego metan, a następnie połączony poprzez sprężarkę gazu, zbiornik gazu wysokometanowego z reformerem parowym z mikrofalowym ogrzewaniem układu katalitycznego oraz dopływem pary wodnej, który z kolei połączony jest poprzez ogniwo paliwowe z katalitycznym dopalaczem gazów procesowych wyposażonym w układ chłodzenia oraz wyposażony w zawór odprowadzania gazów neutralnych.

Korzystnie, gdy ogniwo paliwowe ma na przewodzie wylotowym zawór regulacyjny przepływu wodoru, który połączony jest poprzez przewód rurowy z jego przewodem wlotowym.

Korzystnie, gdy separator to separator metanu wyposażony w membrany.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ otrzymywania energii elektrycznej z gazów zawierających metan, Fig. 2 układ z zaworem regulującym przepływ wodoru z układu ogniw paliwowych.

P r z y k ł a d 1

Układ otrzymywania energii elektrycznej z gazów zawierających metan ma separator 2, korzystnie separator do metanu wyposażony w membrany. Zadaniem separatora 2 jest oddzielenie metanu od innych składników zawartych w gazie niskometanowym i wytworzenie gazu wysokometanowego. Połączony jest on na wejściu z zaworem dopływu gazu zawierającego metan 1, a następnie połączony poprzez sprężarką gazu 3, zbiornik gazu wysokometanowego 4 z reformerem parowym z mikrofalowym ogrzewaniem GM-V układu katalitycznego 5 oraz dopływem pary wodnej, który z kolei połączony jest poprzez układ ogniw paliwowych 6 z katalitycznym dopalaczem gazów procesowych wyposażonym w układ chłodzenia 7 oraz wyposażony w zawór odprowadzania gazów neutralnych 8.

P r z y k ł a d 2

Układ jak w przykładzie 1 z tą różnicą, że układ ogniw paliwowych 6 ma na przewodzie wylotowym zawór regulacyjny przepływu wodoru 9, który połączony jest poprzez przewód rurowy 10 z jego przewodem wlotowym.

Układ otrzymywania energii elektrycznej z gazów zawierających metan działa następująco: przez zawór dopływu zawierającego metan 1 dostarczany jest gaz o różnej zawartości metanu do separator metanu 2 wyposażonego w membrany, w którym następuje separacja metanu od innych składników gazu. Uzyskany metan kierowany jest do zbiornika gazu wysokometanowego 4 za pomocą sprężarki 3. Następnie kierowany jest do reformera parowego z mikrofalowym ogrzewaniem GM-V układu katalitycznego 5, do którego doprowadzana jest para wodna. Po czym pozyskany w gaz wodorowy przesyłany jest do układu ogniw paliwowych 6, w których wytwarzana energia elektryczna odbierana jest przez odbiorców zewnętrznych. Resztkowy gaz wodorowy z ogniw paliwowych 6 kierowany jest do katalitycznego dopalacza gazów procesowych 7 wyposażonego w układ chłodzenia. Poprzez zawór odpływu gazów neutralnych 8, tak oczyszczony gaz jest w postaci pary wodnej i CO2.

PL 235 858 B1

W przypadku pojawienia się nadmiaru gazu wodorowego z układu ogniw paliwowych 6 jest on kierowany poprzez zawór regulacyjny przepływu wodoru 9 przewodem rurowym 10 ponownie do strumienia gazu wodorowego wychodzącego z reformera parowego z mikrofalowym ogrzewaniem GM-V układu katalitycznego 5 na wejście ogniw paliwowych 6.

Zaletą układu jest możliwość zastosowania komercyjnych ogniw paliwowych o małych wydajnościach. Pozwala on na bezpieczną pracę ogniw paliwowych poprzez zastosowanie katalitycznego dopalacza gazów procesowych. Zastosowanie ogrzewania mikrofalowego w reformerze parowym znacznie poprawia wydajność i ekonomiczność układu poprzez szybkie nagrzewanie reformera.

Wykaz oznaczeń

1. Zawór dopływu gazu zawierającego metan

2. Separator metanu

3. Sprężarka

4. Zbiornik gazu wysokometanowego

5. Reformer parowy z mikrofalowym ogrzewaniem układu katalitycznego

6. Ogniwo paliwowe

7. Katalityczny dopalacz gazów procesowych

8. Zawór odpływu gazów neutralnych

9. Zawór regulacyjny przepływu wodoru

10. Przewód rurowy

GM-V Mikrofalowe ogrzewanie

Claims (3)

1. Układ otrzymywania energii elektrycznej z gazów zawierających metan, znamienny tym, że ma separator (2), połączony na wejściu z zaworem dopływu gazu zawierającego metan (1), a następnie połączony poprzez sprężarką gazu (3), zbiornik gazu wysokometanowego (4), z reformerem parowym z mikrofalowym ogrzewaniem (GM-V) układu katalitycznego (5) oraz dopływem pary wodnej, który z kolei połączony jest poprzez układ ogniw paliwowych (6) z katalitycznym dopalaczem gazów procesowych wyposażonym w układ chłodzenia (7) oraz wyposażony w zawór odprowadzania gazów neutralnych (8).

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że układ ogniw paliwowych (6) ma na przewodzie wylotowym zawór regulacyjny przepływu wodoru (9), który połączony jest poprzez przewód rurowy (10) z jego przewodem wlotowym.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że separator (2) to separator metanu wyposażony w membrany.