СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЖИДКОГО ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
METHOD FOR PRODUCTION OF LIQUID HYDROGEN AND ELECTRICAL ENERGY

Изобретение относится к способу производства жидкого водорода и электроэнергии.
2
В последние годы повышенное внимание уделяют использованию водорода для выработки электроэнергии (энергии). Эта энергия может быть использована, например, для проведения процесса сжижения водорода. Водород может быть получен путем реформинга исходного углеводородного сырья. Схема такого процесса больше известна как интегрированный комбинированный цикл реформинга (IRCC), и обычно он объединен со стадией улавливания CO. Указанный процесс описан, например, в патентном документе JP 9291832 A, согласно которому сжиженный водород получают путем подачи, в качестве топлива, водорода из генератора водорода непосредственно в камеру сгорания установки комбинированного цикла, и приведения в действие компрессора для сжижения водорода с использованием установки комбинированного цикла. Недостаток такого процесса заключается в том, что для его проведения требуется специальная электрогенераторная установка, обеспечивающая электроэнергию для проведения комбинированного цикла получения сжиженного водорода, что приводит к потерям экономии за счет роста производства. В уровне техники существует потребность в способе получения жидкого водорода, в котором обеспечивается оптимальная экономия за счет роста производства.
В настоящее время установлено, что за счет использования способа производства жидкого водорода и электроэнергии может быть достигнута оптимальная экономия за счет роста производства. Этот способ предусматривает учет потребности во внешнем подводе электроэнергии путем регулирования соотношения произведенных жидкого водорода и электроэнергии.
Соответственно, настоящее изобретение обеспечивает способ производства водорода и электроэнергии, включающий создание системы, подходящей для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, включающей, по меньшей мере:
a) устройство реформинга, предназначенное для приема сырьевого природного газа и проведения реформинга природного газа с получением водородсодержащего газа;
b) устройство для производства электроэнергии, предназначенное для приема, по меньшей мере, части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, и проведения реформинга водорода с выработкой электроэнергии; и
c) устройство для сжижения водорода, предназначенное для приема части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, и сжижения водорода с получением жидкого водорода, при этом к указанному устройству для сжижения водорода в процессе его работы подводят электроэнергию, по меньшей мере, часть которой произведена в устройстве для производства электроэнергии,
и во время работы система обеспечивает отвод жидкого водорода и/или электроэнергии;
при этом
i) в течение первого периода природный газ направляют в устройство реформинга, предназначенное для реформинга газа, и система работает для отвода жидкого водорода; а
ii) в течение второго периода природный газ направляют в устройство реформинга, и система работает для отвода электроэнергии.
В соответствии со способом согласно изобретению жидкий водород и электроэнергия могут производиться совместно. Общий термин, который используется для описания таких способов - полигенерация или полиген, относится к способам для совместного производства, по меньшей мере, двух продуктов, предназначенных для внешнего потребления. Примеры включают, например, электроэнергию и газообразный водород, произведенные с использованием интегрированного комбинированного цикла реформинга (IRCC).
В способе, соответствующем настоящему изобретению, водород сжижают, а энергию на сжижение водорода производят внутри системы за счет сжигания части водорода с выработкой электроэнергии. Произведенная электроэнергия может быть также использована для удовлетворения внутренних потребностей в электроэнергии системы, подходящей для получения жидкого водорода и электроэнергии. Преимущество предложенного способа заключается в том, что он позволяет использовать системы для генерирования электроэнергии с помощью цикла IRCC, или комбинированного цикла, в промышленном масштабе, в котором может быть произведено больше электроэнергии, чем это необходимо для удовлетворения внутренних потребностей в энергии. Произведенная избыточная электроэнергия, т.е. после удовлетворения внутренних потребностей в электроэнергии, может быть отведена внешнему потребителю, например, в местную энергосеть. Посредством комбинирования сжижения водорода с производством электроэнергии за счет сжигания водорода обеспечивается возможность решения проблемы колеблющегося спроса на электроэнергию в часы пиковой нагрузки или во внепиковый период нагрузки. В часы пиковой нагрузки внешняя потребность в электроэнергии высокая. Ссылка на внешнюю потребность в электроэнергии приведена здесь для указания потребности в электроэнергии иной, чем внутренняя потребность в электроэнергии. Для удовлетворения потребности в электроэнергии в часы пиковой нагрузки должна быть обеспечена достаточная производительность энергии, и, помимо того, должен быть обеспечен достаточный производимый объем водорода путем производительности процесса реформинга природного газа. Однако в часы внепиковой нагрузки потребность в электроэнергии низкая или, в качестве альтернативы, применяют неэкономичный тариф на электроэнергию, и обеспечиваемые производительность электроэнергии и производительность реформинга полностью не используются или используются ниже минимальной основной нагрузки. В способе, соответствующем настоящему изобретению, во время часов внепиковой нагрузки электроэнергию, которую не используют для удовлетворения внешней потребности в электроэнергии, используют для сжижения водорода. Это позволяет использовать производительность реформинга и электроэнергии, по меньшей мере, при номинальной нагрузке, предпочтительно выше номинальной нагрузки, в тоже время часть произведенного водорода может быть перенаправлена в устройство для сжижения водорода, в котором осуществляется сжижение водорода. Полученный жидкий водород может быть отведен для удовлетворения внешней потребности в жидком водороде или отведен на хранение для последующего использования.
В способе в соответствии с изобретением жидкий водород и/или электроэнергия производятся с использованием системы, подходящей для производства жидкого водорода и/или электроэнергии.
Система, подходящая для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, содержит, по меньшей мере, устройство реформинга, предназначенное для сырьевого природного газа, и для реформинга природного газа с получением водородсодержащего газа. В качестве устройства реформинга может быть использовано любое устройство, подходящее для реформинга природного газа с получением водородсодержащего газа. Примеры такого устройства включают, но не в качестве ограничения, паровые реформеры для реформинга метана, автотермические реформеры, реформеры для частичного окисления и реформеры для каталитического частичного окисления. Реформинг природного газа может осуществляться путем реагирования природного газа, в частности метана, содержащегося в природном газе, с кислородом, водяным паром и/иди диоксидом углерода с получением водорода и, необязательно, моноксида углерода и/или диоксида углерода. Обычно водородсодержащий газ представляет собой смесь, часто называемую синтез-газом, содержащую водород и, по меньшей мере, один из моноксида углерода и диоксида углерода. Содержание водорода в указанном водородсодержащем газе может быть повышено за счет обработки этого синтез-газа в реакторе реформинга водяного газа, в котором часть моноксида углерода превращается с помощью водяного пара в водород и диоксид углерода. В конкретном воплощении, в котором природный газ подвергают реформингу с водяным паром, содержание водорода в полученном водородсодержащем газе может быть увеличено за счет отвода водорода из реакции и смещения тем самым равновесия в реакторе в направлении получения водорода и диоксида углерода вместо получения водорода и моноксида углерода. Такой процесс описан в патентном документе EP 2035329, включенном в настоящее описание посредством ссылки.
Реформинг природного газа хорошо известен в уровне техники, и поэтому дальнейшее его описание не представляется необходимым. Система, подходящая для производства водорода и/или электроэнергии, кроме того, содержит устройство для производства электроэнергии, предназначенное для приема, по меньшей мере, части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, и превращения водорода в электроэнергию. Водород, содержащийся в водородсодержащем газе, полученном из устройства реформинга, по меньшей мере, частично направляют в устройство для производства электроэнергии и сжигают, предпочтительно вместе с кислородом, для генерирования электроэнергии. Устройством для производства электроэнергии может быть любое устройство или система, которая может вырабатывать электроэнергию за счет сжигания водорода. Устройством для производства электроэнергии может быть устройство или система, которая может генерировать электроэнергию за счет непосредственного сжигания водорода, используемого для снабжения энергией генератора механической энергии. Примеры таких систем включают электрогенераторы комбинированного цикла, в которых при функционировании системы водород превращают в электроэнергию за счет его непосредственного сжигания с кислородом в газотурбинной установке, предназначенной для привода электрических генераторов, и традиционных электрических генераторов, приводимых в действие водяным паром, полученным в паровом котле. В качестве альтернативы устройством для производства электроэнергии может быть устройство или система, которая генерирует электроэнергию за счет непрямого сжигания водорода, например электрогенератор на основе заправленного водородом топливного элемента, в котором водород опосредованно сжигают с окислителем, предпочтительно с кислородом, внутри топливного элемента.
В случае необходимости, в устройстве для производства электроэнергии используют генераторы электроэнергии более чем одного типа.
Производство электроэнергии на основе сжигания водородсодержащих газов хорошо известно в уровне техники, и его дополнительное описание здесь не требуется.
Система, подходящая для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, кроме того, содержит устройство для сжижения водорода, предназначенное для приема части водорода, содержащегося в водородсодержащем газе и сжижения водорода с получением жидкого водорода, при этом указанное устройство для сжижения водорода во время работы приводится в действие за счет, по меньшей мере, части электроэнергии, произведенной с помощью устройства для производства электроэнергии. При необходимости часть водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, полученного из устройства реформинга, направляют в аппарат для сжижения водорода. Устройством для сжижения водорода может быть любое подходящее устройство для сжижения водорода. Предпочтительным является устройство для сжижения водорода, в котором водород сжижают путем проведения технологического процесса, в котором водород охлаждается и после этого сжижается посредством проведения ряда циклов сжатия, охлаждения и расширения (циклы Карно). Один подходящий пример такого устройства для сжижения водорода и процесса сжижения описан в патентном документе WO 2005/080892, включенном в данное описание посредством ссылки. В способе согласно настоящему изобретению, по меньшей мере, часть электроэнергии, необходимой для привода компрессоров и/или охладителей в устройстве для сжижения водорода во время работы обеспечивается устройством для производства электроэнергии.
Предпочтительно система, подходящая для производства водорода и/или электроэнергии, кроме того, содержит устройство для разделения, подходящее для отделения водорода от газа, содержащего водород, и приспособленное для приема, по меньшей мере, части водородсодержащего газа, полученного из устройства реформинга при его функционировании, и для подачи водорода в устройство для сжижения. Устройством для разделения может служить любое устройство для разделения, подходящее для отделения водорода от газа, содержащего водород, представляющее собой, но не в качестве ограничения, адсорбер, работающий при переменном давлении или мембранный разделитель.
Для эффективного сжижения водород должен быть по существу чистым, предпочтительно чистота составляет 99 масс.% или более, исходя из водорода, направленного в устройство для сжижения водорода. Остальная часть водородсодержащего газа обычно будет содержать, главным образом, азот, диоксид углерода и моноксид углерода. В том случае, если для реформинга природного газа был использован чистый кислород или по существу чистый кислород или водяной пар, остальная часть водородсодержащего газа будет, главным образом, содержать диоксид углерода и моноксид углерода. Необязательно, после сжигания моноксида углерода может быть проведен процесс улавливания и удаления диоксида углерода из этого газового потока для уменьшения следов углерода в результате осуществления этого способа. Теплота сгорания моноксида углерода при его сжигании может быть использована для выработки дополнительной электроэнергии.
Предпочтительно, помимо того, водород, направленный в устройство для производства электроэнергии, получают посредством первого отделения водорода от остальной части водородсодержащего газа в одном, предпочтительно таком же устройстве для разделения, подходящем для отделения водорода от газа, содержащего водород и приспособленного для подачи водорода в устройство для производства электроэнергии. В результате следы углерода при осуществлении способа могут быть уменьшены еще больше. В качестве альтернативы, отходящий газ из устройства для производства электроэнергии направляют в устройство для разделения, подходящее для отделения диоксида углерода от газа, содержащего диоксид углерода. Устройством для разделения может быть любое разделительное устройство, подходящее для отделения диоксида углерода от газа, содержащего диоксид углерода, включая, но не в качестве ограничения, адсорбер, работающий при переменном давлении или мембранный разделитель. Это является, в особенности, выгодным, когда водородсодержащий газ не содержит значительные количества азота, поскольку диоксид углерода может быть легко получен в концентрированном виде из полученных в процессе горения отходящих газов при конденсации водяного пара, содержащегося в отходящих газах. Дополнительное преимущество заключается в том, что теплоту сгорания моноксида углерода при его сжигании используют непосредственно для генерирования дополнительной электроэнергии.
В предпочтительном воплощении способа, соответствующего настоящему изобретению, осуществляют реформинг природного газа с получением водородсодержащего газа путем проведения процесса частичного окисления, а водород превращается в электроэнергию путем непосредственного сжигания вместе с кислородом в газотурбинной установке, служащей для привода электрического генератора, и система, подходящая для получения жидкого водорода и/или электроэнергии, кроме того, содержит дополнительное устройство для разделения, подходящее для разделения воздуха на фракцию, богатую кислородом, и фракцию, бедную кислородом, приспособленное для приема воздуха, разделения воздуха и направления, по меньшей мере, части богатой кислородом фракции для проведения процесса частичного окисления и направления, по меньшей мере, части бедной кислородом фракции в газотурбинную установку. Дополнительным устройством для разделения может быть любое разделительное устройство, подходящее для разделения воздуха на фракцию, богатую кислородом, и фракцию, бедную кислородом, представляющее собой, но не в качестве ограничения, адсорбер, работающий при переменном давлении, или мембранный разделитель.
За счет подачи богатой кислородом фракции на проведение реформинга природного газа и проведения реформинга природного газа с использованием кислорода, при одновременном уменьшении количества азота, обычно подводимого с воздухом, полученный водородсодержащий газ разбавлен азотом в меньшей степени. В результате объем устройства реформинга может быть уменьшен или использован более эффективно, и объем устройства для отделения водорода от водородсодержащего газа может быть уменьшен или, по меньшей мере, использован более эффективно. Бедную кислородом фракцию, которая обычно богатая азотом, подходящим образом используют для разбавления водорода, направляя ее в устройство для генерирования электроэнергии для сжигания с кислородом. Какой-либо остаточный кислород, содержащийся в бедной кислородом фракции, может быть подвергнут сжиганию с водородом.
В процессе работы систему, подходящую для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, приспосабливают для отвода и поставки жидкого водорода и электроэнергии. Например, создают средства для подключения устройства для генерирования электроэнергии в местную энергосеть или любую другую внешнюю электрическую сеть. Кроме того, создают средства для соединения устройства для сжижения водорода с хранилищем, предназначенным для хранения жидкого водорода, вспомогательным трубопроводом для жидкого водорода, оборудованием для заправки средств перевозки жидкого кислорода или оборудованием для автозаправки средств перевозки.
В способе в соответствии с настоящим изобретением способность эффективно реагировать на изменения внешней потребности в электроэнергии достигается за счет функционирования системы, подходящей для производства жидкого водорода и/или электроэнергии так, что в периоды низкой внешней потребности в электроэнергии электроэнергию, произведенную в избытке по сравнению с внешней потребностью, направляют в устройство для сжижения водорода и используют для сжижения водорода. Так, в способе в соответствии с настоящим изобретением в течение первого периода природный газ направляют в устройство реформинга газа, а система, подходящая для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, работает на отвод жидкого водорода. В течение этого первого периода природный газ направляют в устройство реформинга и превращают в водородсодержащий газ. Часть водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, предпочтительно после его отделения от остального водородсодержащего газа, направляют на сжижение в устройство для сжижения. Остальную часть водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, направляют в устройство для выработки электроэнергии и сжигают для выработки электроэнергии. Соотношение частей водорода, направленного в устройство для сжижения и в устройство для выработки электроэнергии, предпочтительно выбирают так, чтобы производилось достаточное количество энергии для удовлетворения потребности устройства для сжижения водорода и более предпочтительно для удовлетворения потребности всей системы, подходящей для производства жидкого водорода и/или электроэнергии. В любом случае в устройство для генерирования электроэнергии подают достаточное количество водорода для обеспечения его работы с номинальной нагрузкой. Указанная номинальная нагрузка относится к минимальным рабочим параметрам, необходимым для того, чтобы поддерживать работу устройства для генерирования электроэнергии. При необходимости, в течение первого периода подводят дополнительную электроэнергию от внешнего источника, например от местной энергосети или другой питающей электрической сети. Жидкий водород отводят, например, в хранилище, предназначенное для хранения жидкого водорода, оборудование для заправки средств перевозки жидкого кислорода или оборудование для автозаправки средств перевозки.
В течение второго периода в соответствии с настоящим изобретением природный газ направляют в устройство реформинга, предназначенное для реформинга газа, а система, подходящая для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, работает для отвода электроэнергии. В течение этого периода природный газ подают в устройство реформинга и подвергают реформингу с получением водородсодержащего газа. Часть или весь водород, содержащийся в водородсодержащем газе, предпочтительно после его отделения от остального водородсодержащего газа направляют в устройство для производства электроэнергии и сжигают с получением электроэнергии. Произведенную электроэнергию используют для удовлетворения внутренних потребностей системы в электроэнергии, а избыточную электроэнергию отводят внешнему потребителю, например, в местную энергосеть или другую электрическую сеть.
При работе системы так, как это предусмотрено в соответствии со способом согласно изобретению, устройство для генерирования электроэнергии всегда будет работать, по меньшей мере, при номинальной нагрузке, в то же время устройство реформинга может работать непрерывно с полной или почти полной производительностью.
В предпочтительном воплощении в течение первого периода способа в соответствии с изобретением, кроме того, производится некоторое количество электроэнергии или более, избыточное относительно внутренней потребности в электроэнергии, которая затем отводится, например, в местную энергосеть или другую электрическую сеть. В результате все еще существующая внутренняя потребность в электроэнергии, хотя и меньшая, может быть удовлетворена. Кроме того, это обеспечивает возможность работы устройства для производства электроэнергии и устройства реформинга в режиме, близком к полной производительности.
В другом предпочтительном воплощении в течение первого периода способа в соответствии с изобретением также производится некоторое количество электроэнергии или более, избыточное относительно внутренней потребности в электроэнергии, которое затем отводится, например, в местную энергосеть или другую электрическую сеть, в то же время в течение второго периода времени наряду с электроэнергией отводится также жидкий водород. В этом воплощении в течение указанного второго периода часть водорода, содержащегося в водородсодержащем газе, направляется для сжижения в устройство для сжижения водорода, а часть электроэнергии, полученной с помощью устройства для производства электроэнергии, используется для питания электроэнергией устройства для сжижения водорода. В результате обеспечивается непрерывная выдача жидкого водорода.
На фиг.1 в схематическом виде представлена система, подходящая для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, которая может быть использована для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
В соответствии с фиг.1 система 100, подходящая для производства жидкого водорода и/или электроэнергии, содержит устройство ПО реформинга с входом 115 для природного газа и входом 120 для водяного пара, кислорода или водородсодержащего газа. Природный газ поступает в устройство ПО реформинга через трубопровод 125. Водород, содержащий газ, выходит из устройства ПО реформинга через выход 130 и по трубопроводу 140 направляется к устройству 135 для разделения, подходящему для отделения водорода от водородсодержащего газа. Поток газа, содержащего диоксид углерода и/или моноксид углерода, выходит из сепаратора через выход 145 и может быть направлен на проведение процесса удаления из потока диоксида углерода (не показано), при необходимости, через одно или большее количество других устройств для разделения и/или камер сгорания, предназначенных для сжигания моноксида углерода.
Поток, содержащий, главным образом, водород, выходит из устройства 135 для разделения через выход 150 и трубопровод 155. Часть водорода направляется через трубопровод 160 в устройство 165 для генерирования электроэнергии, в которое поступает через вход 170. Устройство 165 для выработки электроэнергии, кроме того, содержит один или большее число входов 175 для кислорода или кислородсодержащего газа. Водород сжигают в устройстве 165 для производства электроэнергии, и произведенную электроэнергию отводят из устройства 165 для производства электроэнергии с помощью токопроводящих элементов 180. Часть электроэнергии отводят из системы 100 посредством токопроводящих элементов 185.
Часть водорода может быть направлена в устройство 190 для сжижения водорода через трубопровод 200 и вход 205 для водорода. В устройстве 190 для сжижения водорода водород сжижается и выходит из этого устройства 190 и общей системы 100 в виде жидкого водорода через выход 215 для жидкого водорода и трубопровод 210. Жидкий водород может быть отведен в одно или более из хранилища, предназначенного для хранения жидкого водорода, вспомогательного трубопровода для жидкого водорода, оборудования для заправки средств перевозки жидкого кислорода или оборудования для автозаправки средств перевозки (не показано). По меньшей мере, часть электроэнергии, необходимой для работы устройства 190 для сжижения водорода, направляется из устройства 165 для выработки электроэнергии через токопроводящие элементы 180 и 220. При необходимости, электроэнергию подводят к системе 100 и, в частности, к устройству 190 для сжижения водорода с помощью токопроводящего элемента 225.
Система 100 может быть снабжена воздушным сепаратором 230, имеющим вход 235 для приема воздуха, поступающего по трубопроводу 240. В воздушном сепараторе 230 воздух разделяют, при этом полученная фракция, богатая кислородом, выходит из воздушного сепаратора 230 через выход 245 и направляется через трубопровод 250 на вход 120 реформера 110. Фракция, бедная кислородом, выходит из воздушного сепаратора 230 через выход 255 и через трубопровод 260 поступает в качестве разбавителя на вход 265 устройства 165 для выработки электроэнергии, при этом вход 265 может быть таким же, как один или большее количество входов 175.