ГИБРИДНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
HYBRID PLANT FOR HEAT AND POWER GENERATION

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к устройствам для выработки тепловой и электрической энергий.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ получения электрической энергии из природного газа с использованием топливного элемента на твердом окисле (патент на изобретение РФ №2199172, опубл. 20.02.2003 г.), содержит следующие стадии: (а) преобразование на стороне анода топливного элемента природного газа в водород и окись углерода и прохождение катодной и анодной реакций для получения разности потенциалов между анодом и катодом топливного элемента, в результате которых образуется газ, отходящий от анода топливного элемента, содержащий воду и двуокись углерода; (b) удаление окислителя с пониженным содержанием кислорода через выходное отверстие на стороне катода топливного элемента и удаление газа, отходящего от анода, из отверстия на стороне анода топливного элемента; (с) подачу газа, отходящего от анода топливного элемента, из отверстия на стороне анода топливного элемента в установку дожигания; (d) частичное конденсирование газа, отходящего от анода топливного элемента, и удаление от газа, отходящего от анода, воды для получения потока, богатого двуокисью углерода; (е) сжатие потока, богатого двуокисью углерода, до заранее заданного значения давления; (f) частичное охлаждение сжатого потока, богатого двуокисью углерода, путем косвенного теплообмена с потоком природного газа, который подается на топливный элемент для получения частично сжиженного потока, богатого двуокисью углерода; (g) отделение неконденсирующегося газа от частично сжиженного потока, богатого двуокисью углерода; и (h) введение в резервуар под давлением частично сжиженного потока, богатого двуокисью углерода, где на стадии (с) подают газ, отходящий от анода топливного элемента, в установку дожигания, в которую кислород подается через избирательную керамическую мембрану, отделяющую кислород от азота, и в которой несгорающая окись углерода и водород сжигаются без добавления существенного количества азота к газу, отходящему от анода топливного элемента. К недостаткам наиболее близкого аналога относятся низкая эффективность использования газов.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является устранение указанных недостатков наиболее близкого аналога.
2
Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения эффективности использования газов в установке, а также уменьшение выбросов СО в окружающую среду, за счет использования части диоксида углерода в химических реакциях, необходимых для выработки электрической и тепловой энергий.
Технический результат достигается способом работы гибридной установки для выработки тепловой и электрической энергий, включающим в себя этапы, на которых:
(a) природный газ подают в камеру сгорания (11), при этом давление в камере сгорания (11) составляет по меньшей мере 7,5 МПа;
(b) по меньшей мере часть горячих газов из камеры сгорания (11) направляют по линии (12) отвода горячих газов из камеры сгорания (11) на вход в парогазовую турбину (13), соединенную с генератором (14) для выработки электрической энергии;
(c) отработанные в парогазовой турбине (13) газы поступают в охладитель (15) отработанных газов, выполненный с возможностью охлаждения отработанных газов и конденсации воды и диоксида углерода, содержащихся в отработанных газах, и выполненный с возможностью отвода сконденсированной воды и сконденсированного диоксида углерода по линиям (16 и 17) отвода воды из охладителя (15) и отвода диоксида углерода из охладителя (15);
(d) по меньшей мере часть диоксида углерода, отведенного из охладителя (15), подают в камеру сгорания (11), по меньшей мере другая часть диоксида углерода, отведенного из охладителя (15), подают в смеситель (19), где эту по меньшей мере часть диоксида углерода смешивают с по меньшей мере частью кислорода из линии (18) подачи кислорода от источника кислорода, а по меньшей мере другую часть кислорода из линии (18) подачи кислорода подают в камеру сгорания (11);
(e) по меньшей мере часть смеси кислорода и диоксида углерода из смесителя (19) подают к катоду (5) топливного элемента, что обеспечивает прохождение катодной реакции, при этом топливный элемент представляет собой топливный элемент на основе расплавов карбонатов и выполнен с возможностью подогрева электролита (6);
(f) водород поступает к аноду (7) топливного элемента и обеспечивает прохождение анодной реакции для получения разности потенциалов между анодом и катодом топливного элемента, при этом полученную электрическую энергию подают к потребителю;
(g) газы, образующиеся в ходе химических реакций, проходящих на аноде (7), а также газы, не вступившие в реакции, подают в камеру сгорания (11).
Водород образуется в топливном элементе на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом к аноду (7) топливного элемента подают смесь кислорода и диоксида углерода из смесителя (19) и воды из линии (16) отвода воды из охладителя (15), при этом электролит (6) подогревают за счет передачи тепла от по меньшей мере другой части горячих газов из камеры сгорания (11) к электролиту (6).
Дополнительно содержит блок (9) конверсии природного газа в синтез-газ, выполненный с возможностью подогрева, при этом образованный синтез-газ, включающий водород, подают к аноду (7).
В блок (9) конверсии природного газа в синтез-газ подают кислород из линии (18) подачи кислорода, диоксид углерода из линии (17) отвода диоксида углерода из охладителя (15) и воду из линии (16) отвода воды из охладителя (15).
По меньшей мере часть природного газа, не преобразованного в синтез-газ, поступает к аноду (7) топливного элемента, при этом дополнительно водород образуется в топливном элементе на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом к аноду (7) топливного элемента подают смесь кислорода и диоксида углерода из смесителя (19) и воды из линии (16) отвода воды из охладителя (15).
Газы, подающиеся от анода (7) топливного элемента в камеру сгорания (11), представляют собой смесь из природного газа, диоксида углерода, водяного пара, водорода и моноксида углерода.
Также технический результат достигается гибридной установкой для выработки тепловой и электроэнергии, содержащей камеру сгорания (11) и парогазовую турбину (13), соединенную с генератором (14), охладитель (15), выполненный с возможностью охлаждения отработанных газов и конденсации воды и диоксида углерода, содержащихся в отработанных газах, и выполненный с возможностью отвода сконденсированной воды и сконденсированного диоксида углерода по линиям (16 и 17) отвода воды из охладителя (15) и отвода диоксида углерода из охладителя (15), линия (17) отвода диоксида углерода выполнена с возможностью направления по меньшей мере части диоксида углерода к месту дальнейшего хранения и использования, по меньшей мере другой части диоксида углерода в камеру сгорания (11), а по меньшей мере третьей части в смеситель (19), выполненный с возможностью смешивания диоксида углерода с кислородом, подаваемым от источника кислорода по линии (18) подачи кислорода, которая выполнена с возможностью подачи по меньшей мере части кислорода в камеру сгорания (11), топливный элемент на основе расплавов карбонатов, включающий катод (5), соединенный со смесителем (19), электролит (6), при этом топливный элемент выполнен с возможностью подогрева электролита (6), и анод (7), выполненный с возможностью прохождение анодной реакции для получения разности потенциалов между анодом и катодом топливного элемента, при этом анод (7) соединен линией (10) отвода газов от анода (7) топливного элемента с камерой сгорания (11).
Топливный элемент выполнен с возможностью образования водорода на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом анод (7) топливного элемента соединен со смесителем (19) и линией (16) отвода воды из охладителя (15), при этом подогрев электролита (6) обеспечивается за счет передачи тепла от по меньшей мере другой части горячих газов из камеры сгорания (11) к электролиту (6).
Дополнительно включает блок (9) конверсии природного газа в синтез-газ, выполненный с возможностью подогрева, при этом образованный синтез-газ, включающий водород, подают к аноду (7).
10. Гибридная установка по п. 9, отличающийся тем, что в блок (9) конверсии природного газа в синтез-газ соединен с линией (18) подачи кислорода и линией (17) отвода диоксида углерода из охладителя (15), а также с линией (16) отвода воды из охладителя (15), при этом по меньшей мере часть природного газа, не преобразованного в синтез-газ, поступает к аноду (7) топливного элемента, при этом дополнительно топливный элемент выполнен с возможностью образования водорода на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом анод (7) топливного элемента соединен со смесителем (19) и линией (16) отвода воды из охладителя (15), при этом подогрев электролита (6) обеспечивается за счет передачи тепла от по меньшей мере другой части горячих газов из камеры сгорания (11) к электролиту (6), а газы, подающиеся от анода (7) топливного элемента в камеру сгорания (11), представляют собой смесь из природного газа, диоксида углерода, водяного пара, водорода и моноксида углерода.
На фиг. 1 представлена схема топливного элемента (ТЭ) с расплавленным карбонатным электролитом.
На фиг. 2 представлена схема гибридной энергетической установки.
1 - Линия подачи кислорода;
2 - Линия подачи диоксида углерода;
3 - Линия подачи природного газа или водорода от блока 9 конверсии метана;
4 - Линия отвода полученных в ходе химических реакций веществ, а также избыточных веществ, не прореагировавших в ходе химических реакций;
5 - Катод;
6 - Расплавленный карбонатный электролит;
7 - Анод;
8 - Потребитель электроэнергии (нагрузка);
9 - Блок конверсии природного газа в синтез-газ;
10 - Линия отвода газов от анода 7 топливного элемента;
11 - Камера сгорания;
12 - Линия отвода горячих газов из камеры сгорания 11;
13 - Парогазовая турбина;
14 - Генератор;
15 - Охладитель отработанных газов;
16 - Линия отвода воды из охладителя 15;
3
17 - Линия отвода CO из охладителя 15;
18 - Линия подачи кислорода;
19 - Смеситель;
Топливный элемент (фиг. 1) на основе расплавов карбонатов включает в себя линию (1) и линию (2) подачи кислорода и диоксида углерода к катоду (5), выполненному на основе оксида никеля или оксида лития, используемому в качестве катализатора химической реакции восстановления кислорода:
при этом кислород и диоксид углерода могут быть поданы к катоду (5) по одной линии.
ТЭ также содержит линию (3) подачи природного газа, из которого получают водород, или водород от блока (9) конверсии природного газа в синтез-газ, подводимый к аноду (7) и линию (4) отвода полученных в ходе химических реакций веществ, а также избыточных веществ, не прореагировавших в ходе химических реакций, при этом анод (7) выполнен на основе никель-алюминиевого сплава или хром-никелевого сплава, используемого в качестве катализатора химической реакции окисления водорода:
2
2
2
2
2
-
H+(CO)→HO+CO+2e
2
3
2
3
2
3
2
3
2
В качестве расплавленного карбонатного электролита (6) может быть использован литий/калиевый карбонат (LiCO/KCO) или литий/натриевый карбонат (LiCO/NaCO) в керамической матрице на основе алюминия (LiAlO). Общая реакция ТЭ представляет собой:
Для расплавки карбонатных солей и достижения высокой степени подвижности ионов в электролите (6), работа топливных элементов с расплавленным карбонатным электролитом (6) происходит при температурах 600-700°С. При нагреве электролита (6) до таких температур, соли становятся проводником для ионов карбоната  При этом ионы проходят от катода (5) на анод (7), где происходит объединение с водородом с образованием воды, диоксида углерода и свободных электронов. Свободные электроны направляются по внешней электрической цепи через потребитель (8) обратно на катод (5), таким образом генерируется электрический ток, а также тепло, которое является побочным продуктом.
4
Водород, поступающий к аноду (7)по линии (3), может быть получен за счет конверсии природного газа в блоке (9) конверсии природного газа в синтез-газ, происходящей при высоких температурах, при этом в качестве природного газа может быть использован метан СН, а блок (9) конверсии природного газа может быть выполнен с возможностью прохождения любой из известных конверсий:
- паровая конверсия
4
2
2
СН+HO↔CO+3Н
- парциальное окисление кислородом
- углекислотная конверсия
4
2
2
СН+CO↔2СО+2Н
2
Однако анод (7) топливного элемента может быть выполнен с возможностью прохождения как любой из указанных химических реакций конверсии метана в синтез-газ, так и любой комбинации из указанных химических реакций, при этом метан от любого известного источника подается к аноду (7) топливного элемента по линии (3), а кислород и диоксид углерода могут подаваться к аноду (7) как одновременно из смесителя (19), так и по отдельности из линий (17 и 18) отвода CO из охладителя 15 и подачи кислорода соответственно.
Гибридная установка для выработки тепловой и электроэнергии (фиг. 2) содержит камеру сгорания (11) и парогазовую турбину (13), соединенную с генератором (14). Охладитель (15) выполнен с возможностью охлаждения отработанных газов и конденсации воды и диоксида углерода, содержащихся в отработанных газах, и выполнен с возможностью отвода сконденсированной воды и сконденсированного диоксида углерода по линиям (16 и 17) отвода воды из охладителя (15) и отвода диоксида углерода из охладителя (15). Линия (17) отвода диоксида углерода выполнена с возможностью направления по меньшей мере части диоксида углерода к месту дальнейшего хранения и использования, по меньшей мере другой части диоксида углерода в камеру сгорания (11), а по меньшей мере третьей части в смеситель (19). Смеситель (19) выполнен с возможностью смешивания диоксида углерода с кислородом, подаваемым от источника кислорода по линии (18) подачи кислорода, которая выполнена с возможностью подачи по меньшей мере части кислорода в камеру сгорания (11). Топливный элемент на основе расплавов карбонатов включает катод (5), соединенный со смесителем (19), электролит (6). При этом топливный элемент выполнен с возможностью подогрева электролита (6). Анод (7) выполнен с возможностью прохождение анодной реакции для получения разности потенциалов между анодом и катодом топливного элемента, при этом анод (7) соединен линией (10) отвода газов от анода (7) топливного элемента с камерой сгорания (11). Топливный элемент выполнен с возможностью образования водорода на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом анод (7) топливного элемента соединен со смесителем (19) и линией (16) отвода воды из охладителя (15), при этом подогрев электролита (6) обеспечивается за счет передачи тепла от по меньшей мере другой части горячих газов из камеры сгорания (11) к электролиту (6). Дополнительно установка может включать блок (9) конверсии природного газа в синтез-газ, выполненный с возможностью подогрева, при этом образованный синтез-газ, включающий водород, подают к аноду (7). Блок (9) конверсии природного газа в синтез-газ соединен с линией (18) подачи кислорода и линией (17) отвода диоксида углерода из охладителя (15), а также с линией (16) отвода воды из охладителя (15), при этом по меньшей мере часть природного газа, не преобразованного в синтез-газ, поступает к аноду (7) топливного элемента, при этом дополнительно топливный элемент выполнен с возможностью образования водорода на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом анод (7) топливного элемента соединен со смесителем (19) и линией (16) отвода воды из охладителя (15), при этом подогрев электролита (6) обеспечивается за счет передачи тепла от по меньшей мере другой части горячих газов из камеры сгорания (11) к электролиту (6), а газы, подающиеся от анода (7) топливного элемента в камеру сгорания (11), представляют собой смесь из природного газа, диоксида углерода, водяного пара, водорода и моноксида углерода.
Гибридная установка для выработки тепловой и электроэнергии работает следующим образом.
2
Природный газ подают в камеру сгорания (11), при этом давление в камере сгорания (11) составляет по меньшей мере 7,5 МПа. По меньшей мере часть горячих газов из камеры сгорания (11) направляют по линии (12) отвода горячих газов из камеры сгорания (11) на вход в парогазовую турбину (13), соединенную с генератором (14) для выработки электрической энергии. Отработанные в парогазовой турбине (13) газы поступают в охладитель (15) отработанных газов, выполненный с возможностью охлаждения отработанных газов и конденсации воды и диоксида углерода, содержащихся в отработанных газах, и выполненный с возможностью отвода сконденсированной воды и сконденсированного диоксида углерода по линиям (16 и 17) отвода воды из охладителя (15) и отвода диоксида углерода из охладителя (15). По меньшей мере часть диоксида углерода, отведенного из охладителя (15), подают в камеру сгорания (11), по меньшей мере другая часть диоксида углерода, отведенного из охладителя (15), подают в смеситель (19), где эту по меньшей мере часть диоксида углерода смешивают с по меньшей мере частью кислорода из линии (18) подачи кислорода от источника кислорода, а по меньшей мере другую часть кислорода из линии (18) подачи кислорода подают в камеру сгорания (11). По меньшей мере часть смеси кислорода и диоксида углерода из смесителя (19) подают к катоду (5) топливного элемента, что обеспечивает прохождение катодной реакции, при этом топливный элемент представляет собой топливный элемент на основе расплавов карбонатов и выполнен с возможностью подогрева электролита (6). Водород поступает к аноду (7) топливного элемента и обеспечивает прохождение анодной реакции для получения разности потенциалов между анодом (7) и катодом (5) топливного элемента, при этом полученную электрическую энергию подают к потребителю. Газы, образующиеся в ходе химических реакций, проходящих на аноде (7), а также газы, не вступившие в реакции, подают в камеру сгорания (11), что повышает эффективность использования газов в установке, а также уменьшение выбросов СО в окружающую среду, за счет использования части диоксида углерода в химических реакциях, необходимых для выработки электрической и тепловой энергий.
Водород может образовываться в топливном элементе на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом к аноду (7) топливного элемента подают смесь кислорода и диоксида углерода из смесителя (19) и воды из линии (16) отвода воды из охладителя (15), при этом электролит (6) подогревают за счет передачи тепла от по меньшей мере другой части горячих газов из камеры сгорания (11) к электролиту (6). По меньшей мере часть воды, необходимой для паровой конверсии метана, получают в ходе химической реакции окисления водорода на аноде (7):
2
2
2
2
2-
-
H+(CO)→HO+CO+2e
А реакции преобразования метана в синтез-газ могут быть следующие:
- паровая конверсия
4
2
2
СН+HO↔CO+3Н
- парциальное окисление кислородом
- углекислотная конверсия
4
2
2
СН+СО↔2СО+2H
2
Водород, необходимый для работы топливного элемента также может быть получен в дополнительно введенном блоке (9) конверсии природного газа в синтез-газ, выполненный с возможностью подогрева, при этом образованный синтез-газ, включающий водород, подают к аноду (7). Подогрев может осуществляться за счет использования электронагревателей, либо за счет подогрева горячими газами, подаваемыми из камеры сгорания (11). В блок (9) конверсии природного газа в синтез-газ подают кислород из линии (18) подачи кислорода, диоксид углерода из линии (17) отвода диоксида углерода из охладителя (15) и воду из линии (16) отвода воды из охладителя (15). По меньшей мере часть природного газа, не преобразованного в синтез-газ, поступает к аноду (7) топливного элемента, при этом дополнительно водород образуется в топливном элементе на стороне анода (7) в ходе парциального окисления кислородом и/или углекислотной, и/или паровой конверсий природного газа в синтез-газ, при этом к аноду (7) топливного элемента подают смесь кислорода и диоксида углерода из смесителя (19) и воды из линии (16) отвода воды из охладителя (15). При этом протекание одного из указанных типов конверсий или любой их комбинации обеспечивает повышение КПД установки за счет повышения эффективности использования газов в установке, а также уменьшение выбросов СО в окружающую среду, за счет использования части диоксида углерода в химических реакциях, необходимых для выработки электрической и тепловой энергий. Газы, подающиеся от анода (7) топливного элемента в камеру сгорания (11), представляют собой смесь из природного газа, диоксида углерода, водяного пара, водорода и моноксида углерода, что позволяет более полно использовать продукты химических реакций, а также газы, которые в химических реакциях не участвовали.
Таким образом, так как установка при сжигании в камере сгорания (11) вырабатывает достаточно большое количество диоксида углерода, чтобы обеспечить работу всех элементов установки, то исключается необходимость в использовании постороннего источника диоксида углерода, и, соответственно, подача диоксида углерода к катоду (5), к блоку конверсии природного газа в синтез-газ и аноду (7) от охладителя (15) через смеситель (19), в который диоксид углерода поступает из охладителя (15) отработанных газов, обеспечивает повышение КПД установки за счет повышения эффективности использования газов в установке, а также уменьшаются выбросы диоксида углерода в окружающую среду.
2
Таким образом полученная в гибридной установке электрическая энергия в ходе химических реакций от топливного элемента на основе расплавов карбонатов, а также полученные от сжигания в камере сгорания (11) смеси газов, поступающих от анода (7), тепловая и электрическая энергии могут быть поданы потребителю электроэнергии, что обеспечивает повышение КПД установки за счет повышения эффективности использования газов в установке, а также уменьшение выбросов СО в окружающую среду, за счет использования части диоксида углерода в химических реакциях, необходимых для выработки электрической и тепловой энергий.