ГИБРИДНАЯ УСТАНОВКА ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ ИЗ УГЛЕВОДОРОД-ВОДОРОДНЫХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Российский патент 2025 года по МПК F01K21/00 H01M8/662 

Настоящее изобретение относится к энергетической отрасли, а именно к устройствам для выработки тепловой и электроэнергии из углеводородных газов, включающих твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), систему подготовки топлива, а также газопаровую турбину.

Наиболее близким изобретением по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ получения электрической энергии из природного газа с использованием ТОТЭ [Патент RU 2707351 С1 опубл. 26.11. 2019], который содержит следующие стадии:

(a) Углеводородную смесь подают в камеру сгорания

(b) Отвод горячих газов из камеры сгорания на вход в парогазовую турбину, соединенную с генератором для выработки электроэнергии

(c) Водород поступает к аноду топливного элемента для обеспечения анодной реакции

(d) Газы, образующиеся в ходе электрохимической реакций на стороне анода, а также газы, не выступившие в реакции, направляются в камеру сгорания (КС)

(e) Водород образуется в ТОТЭ на стороне анода, в том числе в ходе реакции паровой конверсии природного газа в синтез-газ

(f) Анодные газы от анода подаются в камеру сгорания

(g) Гибридная установка дополнительно содержит блок конверсии природного газа в синтез-газ, выполненный с возможностью подогрева, при этом образованный синтез газ, включающий водород подают к аноду

(h) Гибридная установка для выработки тепловой и электрической энергии, содержит камеру сгорания и газопаровую турбину, соединенную с генератором.

К недостаткам прототипа относится невысокий КПД гибридной установки вследствие (1) потерь тепла отработавших катодных газов, (2) неполной конверсии углеводородных газов в водород из-за неоптимальной температуры и режима работы установки конверсии, (3) высокий риск «отравления» каталитического покрытия электродов ТОТЭ серой и углеродом вследствие отсутствия стадии обессеривания исходной углеводородной газовой смеси и недостаточной температуры в ТОТЭ для обеспечения эффективной внутренней конверсии и предотвращения «зауглероживания», (4) Сложность работы установки, связанная с использованием чистого кислорода в качестве окислителя.

Задачей, на решение которой направлено заявление на изобретение, является устранение указанных недостатков прототипа.

Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения эффективности использования топливных газов и тепла, а также повышения надежности работы установки за счет оптимизации конструкции и режимов работы ТОТЭ.

Технический результат достигается конструктивными особенностями и способами работы гибридной установки, которые заключаются во введении системы рециркуляции анодных газов, что позволит максимально эффективно проводить конверсию углеводородного газа в синтез-газ, а также использовать тепло обедненных водородом анодных газов для подогрева других элементов гибридной установки; ведение системы очистки топлива от серы, позволит избежать образования сероводорода, способного вызвать «отравление» катализатора и его деактивацию; использование химически обессоленной воды, получаемой, например, в результате включения в систему блока предварительной очистки воды, позволит повысить надежность и эффективность работы всей гибридной установки.

На фиг. 1 изображена технологическая схема предлагаемой гибридной установки генерации энергии из углеводород-водородных газов, газовых отходов гидрирования нефтяных остатков и свального газа.

Исходная углеводородная газовая смесь очищается от серы, например, методом гидрирования. Для этого исходная газовая смесь (1) направляется в реактор гидрирования для предварительной очистки от серы. Для проведения реакции гидрирования в реактор гидрирования подается водород при давлении 20 бар, а также поддерживается температура 400С за счет внешнего подогрева потоком высокопотенциальных анодных газов (15). При этом все соединения серы превращаются в сероводород. После реактора гидрирования углеводородная газовая смесь с образовавшимся в результате реакции гидрирования сероводородом подается в блок адсорбции, для его улавливания методом химической адсорбции. Очищенная углеводородная смесь проходит через делитель потоков, где одна часть исходного потока (2) направляется в смеситель потоков, а другая часть исходного потока (3) направляется на горелочное устройство, требуемое для запуска гибридной установки и доведения ее до установленного режима работы, при котором тепла, передаваемого высокопотенциальными газами, будет достаточно для поддержания оптимальной температуры проведения реакций паровой конверсии (42). Отработавшие газы (14) направляются в воздухоподогреватель для отдачи остаточного тепла воздуху, направляемому на горелочное устройство и в катодную камеру ТОТЭ, и далее в парогенератор для обеспечения его внешнего подогрева для дальнейшего парообразования воды. Низкопотенциальные газы после парогенератора (16) смешиваются с исходным топливом (30), подводимым отдельно для подачи на газопаровую турбину. Смесь исходного топлива и отработавших газов (31) направляется в камеру сгорания. Дымовые газы (32) расширяются в газопаровой турбине, вырабатывая электроэнергию, и далее направляются в рекуператор (33), где нагревают воздух, направляемый в камеру сгорания (39). После рекуператора отработавшие газы (34) поступают в котел-утилизатор для передачи теплоносителю и далее сбрасываются в атмосферу (35).

Отделенный поток исходного топлива (2) смешивается с перегретым паром (5) и подогревается в теплообменнике потоком рециркулирующих анодных газов с высоким содержанием углекислого и угарного газов (11). Анодные газы с большим содержанием непрореагировавшего водорода и углеводородов (11) через эжектор добавляются к смеси и поступают в реактор паровой конверсии (8).

Полученный в результате паровой конверсии синтез-газ (9) поступает в анодную камеру ТОТЭ. При этом используется твердооксидный топливный элемент с никелевым катализатором, который позволяет работать без использования драгоценных металлов (платина, палладий и др.), а режим работы ТОТЭ (температура, мольное отношение углеводородных газов, водорода, окислителей) исключает «зауглероживание» электродных поверхностей (фиг. 2). В результате химических реакций в ТОТЭ вырабатывается тепловая и электрическая энергия. Полученные анодные газы (10) направляются на делитель потоков и разделяются на потоки 12-11.

Атмосферный воздух (17) поступает в компрессор, после чего часть потока направляется на горелочное устройство (41), часть - на воздухоподогреватель (18). Подогретый воздух поступает в катодную камеру топливного элемента (19). Отработавший воздух, обедненный кислородом, направляется на горелочное устройство, используемое для запуска гибридной установки.

Водопроводная вода поступает в водоподготовительную установку (21). Полученная химически очищенная вода направляется в парогенератор (23)

Достоинством данного изобретения является то, что реализуется энергия всех потоков, что позволяет повысить эксергетический КПД установки по сравнению с прототипом. Также данная схема гибридной установки более приспособлена к отключению газовой турбины, благодаря наличию двух обособленных парогенераторов. Использование обессоленной воды, которую можно получить, например, используя систему подготовки воды, позволяет увеличить надежность автономной гибридной установки, а также позволяет увеличить эксплуатационный период, за счет поддержания оптимального водного режима.

Таким образом, можно сделать вывод, что благодаря включению в схему гибридной установки систему рециркуляции анодных газов увеличивается эксергетический КПД установки, а благодаря включению в схему водоподготовительной установки увеличивается автономность системы, а также эксплуатационный период работы гибридной установки.

Настоящее изобретение относится к энергетической отрасли, а именно к устройствам для выработки тепловой и электроэнергии из углеводородных газов, включающих твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ), систему подготовки топлива, а также газопаровую турбину. Гибридная установка генерации энергии из углеводород-водородных газовых смесей, включающая: реактор гидрирования для предварительной очистки исходной газовой смеси от серы, куда для проведения реакции гидрирования подается водород при давлении 20 бар, а также где поддерживается температура 400°С за счет внешнего подогрева потоком высокопотенциальных анодных газов, при этом все соединения серы превращаются в сероводород, блок адсорбции, куда после реактора гидрирования углеводородная газовая смесь с образовавшимся в результате реакции гидрирования сероводородом подается для его улавливания методом химической адсорбции, делитель потоков, через который проходит очищенная углеводородная смесь, где одна часть исходного потока направляется в смеситель потоков, а другая часть исходного потока направляется на горелочное устройство, требуемое для запуска гибридной установки и доведения ее до установленного режима работы, при котором тепла, передаваемого высокопотенциальными газами, достаточно для поддержания оптимальной температуры проведения реакций паровой конверсии, воздухоподогреватель, куда отправляются отработавшие газы для отдачи остаточного тепла воздуху, направляемому на горелочное устройство и в катодную камеру твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), а далее в парогенератор для обеспечения его внешнего подогрева для дальнейшего парообразования воды, после которого низкопотенциальные газы смешиваются с исходным топливом, подводимым отдельно для подачи на газопаровую турбину, камеру сгорания, куда направляется полученная смесь исходного топлива и отработавших газов, газопаровую турбину, где дымовые газы расширяются, вырабатывая электроэнергию, и далее направляются в рекуператор, где нагревают воздух, направляемый в камеру сгорания, при этом после рекуператора отработавшие газы поступают в котел-утилизатор для передачи теплоносителю и далее сбрасываются в атмосферу, теплообменник, где потоком рециркулирующих анодных газов с высоким содержанием углекислого и угарного газов отделенный поток исходного топлива смешивается с перегретым паром и подогревается, эжектор, через который анодные газы с большим содержанием непрореагировавшего водорода и углеводородов добавляются к смеси и поступают в реактор паровой конверсии, анодную камеру ТОТЭ, куда поступает полученный в результате паровой конверсии синтез-газ, при этом используется твердооксидный топливный элемент с никелевым катализатором, в котором в результате электрохимических реакций вырабатывается электрическая и тепловая энергия, а полученные анодные газы направляются на делитель потоков и разделяются на потоки, компрессор, куда поступает атмосферный воздух, после чего часть потока направляется на горелочное устройство, часть – на воздухоподогреватель, при этом подогретый воздух поступает в катодную камеру топливного элемента, а отработавший воздух, обедненный кислородом, направляется на горелочное устройство, используемое для запуска гибридной установки, водоподготовительную установку, куда поступает водопроводная вода, парогенератор, куда направляется полученная химически очищенная вода. Изобретение позволяет увеличить КПД установки за счет повышения эффективности использования топливных газов и тепла, а также повысить надежность работы установки за счет оптимизации конструкции и режимов работы ТОТЭ. 2 ил.

Гибридная установка генерации энергии из углеводород-водородных газовых смесей, включающая: реактор гидрирования для предварительной очистки исходной газовой смеси от серы, куда для проведения реакции гидрирования подается водород при давлении 20 бар, а также где поддерживается температура 400°С за счет внешнего подогрева потоком высокопотенциальных анодных газов, при этом все соединения серы превращаются в сероводород, блок адсорбции, куда после реактора гидрирования углеводородная газовая смесь с образовавшимся в результате реакции гидрирования сероводородом подается для его улавливания методом химической адсорбции, делитель потоков, через который проходит очищенная углеводородная смесь, где одна часть исходного потока направляется в смеситель потоков, а другая часть исходного потока направляется на горелочное устройство, требуемое для запуска гибридной установки и доведения ее до установленного режима работы, при котором тепла, передаваемого высокопотенциальными газами, достаточно для поддержания оптимальной температуры проведения реакций паровой конверсии, воздухоподогреватель, куда отправляются отработавшие газы для отдачи остаточного тепла воздуху, направляемому на горелочное устройство и в катодную камеру твердооксидного топливного элемента (ТОТЭ), а далее в парогенератор для обеспечения его внешнего подогрева для дальнейшего парообразования воды, после которого низкопотенциальные газы смешиваются с исходным топливом, подводимым отдельно для подачи на газопаровую турбину, камеру сгорания, куда направляется полученная смесь исходного топлива и отработавших газов, газопаровую турбину, где дымовые газы расширяются, вырабатывая электроэнергию, и далее направляются в рекуператор, где нагревают воздух, направляемый в камеру сгорания, при этом после рекуператора отработавшие газы поступают в котел-утилизатор для передачи теплоносителю и далее сбрасываются в атмосферу, теплообменник, где потоком рециркулирующих анодных газов с высоким содержанием углекислого и угарного газов отделенный поток исходного топлива смешивается с перегретым паром и подогревается, эжектор, через который анодные газы с большим содержанием непрореагировавшего водорода и углеводородов добавляются к смеси и поступают в реактор паровой конверсии, анодную камеру ТОТЭ, куда поступает полученный в результате паровой конверсии синтез-газ, при этом используется твердооксидный топливный элемент с никелевым катализатором, в котором в результате электрохимических реакций вырабатывается электрическая и тепловая энергия, а полученные анодные газы направляются на делитель потоков и разделяются на потоки, компрессор, куда поступает атмосферный воздух, после чего часть потока направляется на горелочное устройство, часть – на воздухоподогреватель, при этом подогретый воздух поступает в катодную камеру топливного элемента, а отработавший воздух, обедненный кислородом, направляется на горелочное устройство, используемое для запуска гибридной установки, водоподготовительную установку, куда поступает водопроводная вода, парогенератор, куда направляется полученная химически очищенная вода.