基于油田伴生气的电解制氢装置的制作方法

本发明涉及电解水制氢，具体而言，涉及一种基于油田伴生气的电解制氢装置。

背景技术：

1、现有油田中含有大量的伴生气，目前对于这部分伴生气并没有得到充分的利用，造成了能量的浪费，此外，在电解制氢的过程中需要另设发电机进行发电，造成了生成成本的增加。

2、因此，如何实现能源的合理利用是目前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种基于油田伴生气的电解制氢装置，旨在通过将伴生气的能量转化为氢能进行储存，解决油田中大量的伴生气没有得到充分的利用，造成能量浪费的技术问题。

2、本发明通过将重整后的油田伴生气与重整器和燃料电池依次连接，用于将油田伴生气作为可燃气体在燃料电池中得以充分利用，通过固体氧化物燃料电池与固体氧化物电解制氢装置配合使用，用于将燃料电池产生的电能供给给电解制氢装置，电解制氢装置利用燃料电池产生的电能制备得到氢气和氧气，所述氢气可作为能源储存备用，从而实现了利用氢气将伴生气的能量进行储存。即，根据本发明的基于油田伴生气的电解制氢装置，是一种利用氢气将伴生气的能量进行高效储存的储能系统。

3、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

4、本发明提供了一种基于油田伴生气的电解制氢装置包括：脱硫器，用于除去油田伴生气中的硫元素，得到可进行重整的油田伴生气；水蒸气发生装置，用于产生水蒸气；重整器，包括重整腔，重整腔与脱硫器和水蒸气发生装置连接，水蒸气发生装置输出的水蒸气和脱硫后的油田伴生气能够在重整腔内发生重整反应，并生成可燃气体；燃料电池，燃料电池的第一输入端与重整腔连接，可燃气体能够在燃料电池上发生氧化反应，以使燃料电池发电；电解制氢装置，与燃料电池连接，燃料电池的电极输出端能够为电解制氢装置供电。

5、本发明提供的基于油田伴生气的电解制氢装置包括脱硫器、水蒸气发生装置、重整器、燃料电池和电解制氢装置，脱硫器用于除去油田伴生气中的硫元素，这样就可以避免燃料电池中毒失效以及后期二氧化硫等有害气体的产出，避免有害气体污染环境，危害人体健康，水蒸气发生装置用于产生水蒸气；重整器包括重整腔，重整腔与脱硫器和水蒸气发生装置连接，水蒸气和脱硫后的油田伴生气能够在重整腔内发生重整反应，并生成可燃气体，其中，重整腔中含有加热器件，用于对重整反应中的物料进行加热，以达到重整反应所需的温度，具体的重整反应方程式包括如下反应方程式：

6、ch4+h2o→co+3h2；δh=206kj/mol；

7、ch4+2h2o→co2+4h2；δh=165kj/mol；

8、可以理解的，伴生气中的主要成分为甲烷，这样甲烷和水蒸气就可以进行重整反应；进一步，燃料电池与重整腔连接，可燃气体能够在燃料电池上发生氧化反应，进而使得燃料电池发电，燃料电池的电极输出端还能够为电解制氢装置供电，本技术的油田伴生气的电解制氢装置以伴生气为燃料，通过重整器进行重整，重整产生的可燃气体又可在燃料电池上反应并进行发电，这样产生的电能又可以给电解制氢装置使用，这样在制氢过程中，不需要额外的增加发电装置，大大的节省了电能，大大的降低了企业的生产成本，利用氢气将伴生气的能量进行储存。

9、在上述技术方案中，重整器还包括换热腔，能够与重整腔进行换热，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括：燃烧器，与燃料电池的尾气输出端和换热腔连接，燃料电池发生氧化反应后输出的尾气能够在燃烧器内燃烧，燃烧产生的燃烧尾气能够进入换热腔内与重整腔进行第一次换热。

10、在该技术方案中，燃烧器与燃料电池的尾气输出端和换热腔连接，燃料电池排出的尾气能够在燃烧器内燃烧，燃烧产生的燃烧尾气能够进入换热腔内与重整腔进行换热，从而减少重整腔中加热器件对重整反应的热量提供，也即加热器件无需大功率就可以保证重整腔内水蒸气和油田伴生气重整反应的顺利进行，实现了伴生气中能源的回收利用。进一步，换热腔内燃烧尾气换热前的温度大于等于900℃，且小于等于1000℃；换热腔内燃烧尾气换热后的温度大于等于800℃，且小于等于850℃。其中，燃料电池排出的尾气主要包括燃料电池上未反应的氢气和一氧化碳，以及反应生成的二氧化碳和水蒸气等气体。

11、在上述技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括：第一换热器，包括：第一换热流道，第一换热流道的一端分别与脱硫器和水蒸气发生装置连接，另一端和重整腔连接，用于对脱硫后的伴生气以及水蒸气进行加热；第二换热流道，与换热腔连接，第一次换热后的燃烧尾气能够进入第二换热流道内与第一换热流道进行第二次换热。

12、在该技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括第一换热器，第一换热器包括第一换热流道和第二换热流道，第一换热流道的一端分别与脱硫器和水蒸气发生装置连接，另一端和重整器连接，这样就可以对脱硫后的伴生气以及水蒸气进行加热，并输送至重整器内以进行重整反应，第二换热流道与换热腔连接，第一次换热后的燃烧尾气能够与第一换热流道进行第二次换热。进一步，第二换热流道内燃烧尾气换热前的温度大于等于800℃，且小于等于850℃；第二换热流道内燃烧尾气换热后的温度大于等于700℃，且小于等于750℃。

13、在上述技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括：第二换热器，包括：第三换热流道，第三换热流道的一端包括空气入口，另一端与燃料电池的第二输入端连接；第四换热流道，与第二换热流道连接，第二次换热后的燃烧尾气能够在第四换热流道内与第三换热流道进行第三次换热。

14、在该技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括第二换热器，第二换热器包括第三换热流道和第四换热流道，第三换热流道的一端包括空气入口，另一端与燃料电池的第二输入端连接，这样就可以通过空气入口向燃料电池输入高温空气，第四换热流道与第二换热流道连接，第二次换热后的燃烧尾气能够在第四换热流道内与第三换热流道进行第三次换热，通过进一步对燃烧尾气进行换热，可以对流入燃料电池的空气进行加热，提高能源的利用率，在整个过程中无需对排出的尾气进行降温处理。进一步，第四换热流道内燃烧尾气换热前的温度大于等于700℃，且小于等于750℃；第二换热流道内燃烧尾气换热后的温度大于等于200℃，且小于等于300℃。

15、在上述技术方案中，水蒸气发生装置包括第一水蒸气出口和第二水蒸气出口，重整腔与第一水蒸气出口连接，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括：加热组件，与第二水蒸气出口和电解制氢装置连接，用于加热从第二水蒸气出口流出的水蒸气，加热后的水蒸气能够在电解制氢装置上发生电解反应。

16、在该技术方案中，水蒸气发生装置包括第一水蒸气出口和第二水蒸气出口，重整腔与第一水蒸气出口连接，加热组件与第二水蒸气出口连接，用于加热从第二水蒸气出口流出的水蒸气，电解制氢装置与加热组件连接，加热后的水蒸气能够在电解制氢装置上发生电解反应。

17、在上述技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括：气体混合装置，设置在第二水蒸气出口和加热组件之间；氢气发生装置，与气体混合装置连接，用于产生氢气；其中，氢气发生装置产生的氢气和第二水蒸气出口输出的水蒸气能够在气体混合装置内混合，并一同流入加热组件内。

18、在该技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置还包括气体混合装置和氢气发生装置，气体混合装置设置在第二水蒸气出口和加热组件之间，氢气发生装置与气体混合装置连接，能够产生氢气，这样氢气发生装置产生的氢气和第二水蒸气出口产生的水蒸气能够在气体混合装置内混合，并一同流入加热组件内，这样氢气能够防止电解制氢装置的阴极被氧化，也即防止镍金属被氧化，确保电解反应的顺利进行。可以理解的，本技术采用镍金属作为电解阴极，通过设置氢气的电解环境，可以防止镍金属被氧化。

19、在上述技术方案中，加热组件包括：第一换热部，与气体混合装置连接，用于对混合的氢气和水蒸气进行一级加热；第一电加热器，与第一换热部和电解制氢装置连接，用于对一级加热后的混合的氢气和水蒸气进行二级加热。

20、在该技术方案中，通过分段加热，先利用第一换热部将高温气体余热进行充分利用，将混合的氢气和水蒸气进行预热，然后再利用第一电加热器将混合的氢气和水蒸气加热到电解温度，这样可以提高系统能量利用效率。可以理解的，例如锅炉房中产生的热量先对第一换热部进行预热，然后第一换热部再与混合的氢气和水蒸气进行换热，先对混合的氢气和水蒸气进行一级加热，这样就可以实现锅炉房中热量的回收利用，相比于直接用第一电加热器进行加热到电解温度而言，提高了能源的利用率。也即，高温气体余热来源于锅炉房中的气体余热。当然，也不仅仅局限于锅炉房中的高温气体余热，只要带有一定温度的气体，其储存的热量均可以对第一换热部进行预热，然后第一换热部再与混合的氢气和水蒸气进行换热，进而实现能量的回收。进一步，一级加热的加热温度大于等于550℃，且小于等于600℃，二级加热的加热温度大于等于700℃，且小于等于750℃。

21、在上述技术方案中，第一水蒸气出口和第二水蒸气出口为同一个出口，将第一水蒸气出口和第二水蒸气出口设置为同一个出口，这样就无需在水蒸气发生装置上另外开口，买过来的水蒸气发生装置可以直接进行装配。

22、在上述技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置，还包括：第二换热部，与电解制氢装置的阴极连接，用于对电解过程中阴极产生的氢气进行一段降温至第一预设温度；第一冷却器，与第二换热部连接，用于对一段降温后的氢气进行二段降温至第二预设温度，第二预设温度低于第一预设温度。

23、在该技术方案中，通过第二换热部和第一冷却器对电解制氢装置阴极产生的氢气进行降温，这样可以实现氢气的回收利用，提高能源的利用率。进一步，第一预设温度大于等于200℃，且小于等于250℃；第二预设温度大于等于25℃，且小于等于50℃。

24、在上述技术方案中，第一换热部和第二换热部设置在同一个换热器上。

25、在该技术方案中，第一换热部和第二换热部设置在同一个换热器上，例如都设置在第三换热器上，可以理解的，第三换热器包括第一冷端和第一热端，第一热端作为第一换热部用于对水蒸气进行预热，第一冷端作为第二换热部用于对氢气进行冷却，将第一换热部和第二换热部设置在同一个换热器上，这样就可以减少换热器的数量，降低了装置整体的复杂度。

26、在上述技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置 ，还包括：气体输送组件，与电解制氢装置的阳极连接，用于向电解制氢装置的阳极输送空气，以使空气与电解过程中阳极产生的氧气混合得到富氧气体；气体回收组件，与电解制氢装置的阳极连接，用于回收富氧气体。

27、在上述技术方案中，气体输送组件包括：送风机，包括送风口，用于输送空气；第三换热部，与送风口连接，用于对送风口送出的空气进行一段加热；第四换热部，与第三换热部连接，用于对一段加热后的空气进行二段加热；第二电加热器，与第四换热部和电解制氢装置的阳极连接，用于对二段加热后的空气进行三段加热。

28、在该技术方案中，通过对送风口送出的空气进行分段加热，这样可以提高能源的利用率。

29、在上述技术方案中，一段加热的加热温度大于等于250℃，且小于等于300℃；二段加热的加热温度大于等于550℃，且小于等于600℃；三段加热的加热温度大于等于700℃，且小于等于750℃。

30、在上述技术方案中，送风口与空气入口连接，送风口送出的空气一部分通过空气入口送入到第三换热流道，另一部分送入到第三换热部。

31、在该技术方案中，送风口还与空气入口连接，这样就送风口送出的空气一部分通过空气入口送入到第三换热流道，另一部分送入到第三换热部，通过共用一个风机，这样就节省了风机的数量，降低了生产成本。

32、在上述技术方案中，气体回收组件包括：回风机，与电解制氢装置的阳极连接，包括回风口，回风口用于回收富氧气体；第五换热部，与回风口连接，用于对回风口回收的富氧气体进行一段降温至第三预设温度；第六换热部，与第五换热部连接，用于对一段降温后的富氧气体进行二段降温至第四预设温度，第四预设温度低于第三预设温度。

33、在该技术方案中，回收的高温的富氧气体，先通过第五换热部进行一段降温，再通过第六换热部进行二段降温，这样就可以将富氧空气降低至储存的温度进行储存，以供后期的使用。

34、在上述技术方案中，第三预设温度大于等于500℃，且小于等于550℃；第四预设温度大于等于50℃，且小于等于150℃。进一步，第三预设温度为520℃，第四预设温度为70℃，这样分段降温，提高了降温的速率。

35、在上述技术方案中，电解制氢装置为固体氧化物电解池，燃料电池为固体氧化物燃料电池。

36、固体氧化物电解池(soec，solid oxide electrolysis cell)是一种高效率的电解制氢装置，其能够以再生模式运行，通过使用固体氧化物或陶瓷电解质电解水蒸气产生氢气和氧气，本发明采用固体氧化物电解池电解制氢可以提高电解效率。此外，固体氧化物电解池是反向运行的固体氧化物燃料电池，在电解模式，在外加电压、高温下，电解h2o，产生h2与o2，实现将电能和热能转化为化学能。本发明通过设置固体氧化物的电解池作为电解制氢装置，这样可以提高制氢效率，提高使用寿命。

37、固体氧化物燃料电池(solid oxide fuel cell，简称sofc)是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置，其在燃料电池中具有较高理论能量密度。本发明通过将固体氧化物燃料电池作为燃料电池，这样可以提高发电效率，节省成本。

38、本发明中，通过将固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池相结合，实现高效的储能效果。

39、在上述技术方案中，电解制氢装置包括第三输入端、第四输入端、第一输出端、第二输出端和电极输入端、第三输入端与第一电加热器连接，第四输入端与第二电加热器连接，第一输出端与第三换热器，第二输出端与第五换热器连接，电极输入端与燃料电池的电极输出端连接。其中，保护氢气和水蒸气依次经过气体混合装置、第一换热部、第一电加热器被加热后，由第三输入端进入到电解制氢装置内，另外，外界空气能给够依次经过第三换热部和第四换热部被加热后，进入到电解制氢装置内，故而进行电解水蒸气制备氢气，制备的氢气能够从第一输出端，产生的富氧空气能够从第二输出端输出。

40、燃料电池包括第一输入端、第二输入端、电极输出端和尾气输出端，第一输入端与重整腔连接，第二输入端与第二换热器的第三换热流道连接，电极输出端与电解制氢装置的电极输入端连接，尾气输出端与燃烧器连接。在燃料电池发电过程中，经重整器后产生的可燃气体h2和co等经过第一输入端进入到燃料电池内作为燃料极，外部空气在第二换热器的第三换热流道换热后，再通过第二输入端进入燃料电池内作为空气极，进而完成燃料电池的发电。本发明通过设置固体氧化物的电解池作为电解制氢装置，这样可以提高制氢效率，提高使用寿命，通过固体氧化物燃料电池作为燃料电池，这样可以提高发电效率，节省成本。

41、在上述技术方案中，第四换热部和第五换热部设置在同一个换热器上。

42、在该技术方案中，第四换热部和第五换热部设置在同一个换热器上，例如都设置在第五换热器上，可以理解的，第五换热器包括第二冷端和第二热端，第二热端作为第四换热部用于对水蒸气进行预热，第二冷端作为第五换热部用于对富氧空气进行冷却，将第四换热部和第五换热部设置在同一个换热器上，这样就可以减少换热器的数量，降低了装置整体的复杂度。

43、在上述技术方案中，第三换热部与第六换热部设置在同一个换热器上。

44、在该技术方案中，第三换热部和第六换热部设置在同一个换热器上，例如都设置在第四换热器上，可以理解的，第四换热器包括第三冷端和第三热端，第三热端作为第三换热部用于对水蒸气进行预热，第三冷端作为第六换热部用于对富氧空气进行冷却，将第三换热部和第六换热部设置在同一个换热器上，这样就可以减少换热器的数量，降低了装置整体的复杂度。

45、在上述技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置，还包括：氢气回收罐，与电解制氢装置的阴极连接，用于回收电解制氢装置的阴极产生的氢气。

46、在该技术方案中，通过设置氢气回收罐来回收并储存氢气，以备后期使用，提高了能源的利用率。

47、在上述技术方案中，电解制氢装置的电解效率为大于等于90%，且小于等于95%。

48、在上述技术方案中，重整反应的化学方程式包括：ch4+h2o→co+3h2；ch4+2h2o→co2+4h2，这样重整反应之后，可以生成氢气和一氧化碳等可燃气体，可燃气体能够在燃料电池上发生氧化反应，进而使得燃料电池发电，进而为电解制氢装置供电。

49、在上述技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置 ，还包括：水箱，用于储存水；水泵，与水箱和水蒸气发生装置连接，用于将水箱内的水输送至水蒸气发生装置。

50、在该技术方案中，基于油田伴生气的电解制氢装置 还包括水箱和水泵，水箱用于储存水；水泵与水箱和水蒸气发生装置连接，用于将水箱内的水输送至水蒸气发生装置，这样当水蒸气发生装置缺水时可以及时的给水蒸气发生装置送水，保证整体的效率。