零排放的天然气发电及液化装置.pdf

零排放的发电装置接收来自井的高温和高压天然气。气体通过一个或多个涡轮膨胀机膨胀，优选转化，并且被送到燃料电池中，在此产生电力、热量、二氧化碳和水。通过至少一个压缩机将二氧化碳压缩，并且将其泵送到井下而隔离。所述涡轮膨胀机具有优选共用压缩机的轴的轴。因此，利用通过在所述涡轮膨胀机中的所述天然气释放的能量使压缩机运行，所述压缩机压缩用于井下隔离的二氧化碳。在一个实施方案中，将所述天然气用于热交换器以生成液体天然气流。所述气体的剩余部分通过所述涡轮膨胀机膨胀，并且在被送到所述燃料电池中之前，在转化器中被处理。可以在所述转化器和燃料电池之间使用变换器。固体氧化物燃料电池是优选的。

1.  一种天然气发电装置，位于或靠近被至少一个井眼穿过的甲烷生产地层，所述天然气发电装置包含：
与所述井眼连接的第一管道，所述管道输送所述甲烷；
与所述第一管道连接的涡轮膨胀机，其中所述涡轮膨胀机接收从所述井眼在第一压力下生产的所述甲烷，并且从中产生功，所述甲烷在相对于所述第一压力降低的压力下离开所述涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机具有轴；
与所述涡轮膨胀机连接的燃料电池和分离器，其中来自所述燃料电池和分离器的产出包括电力、热量、水和二氧化碳；
压缩机，所述压缩机接收所述二氧化碳，并且将其压缩，其中所述压缩机与所述涡轮膨胀机的所述轴机械连接；以及
第二管道，所述第二管道与所述压缩机连接，并且将压缩的二氧化碳输送到地质地层中以在其中隔离。

2.  根据权利要求1的天然气发电装置，其中：
所述压缩机使用所述涡轮膨胀机的所述轴作为所述压缩机的轴。

3.  根据权利要求1的天然气发电装置，还包含：
连接所述涡轮膨胀机和所述燃料电池和分离器的转化器，所述转化器接收水和来自所述涡轮膨胀机的所述甲烷，并且由其生成氢气和一氧化碳作为产出。

4.  根据权利要求3的天然气发电装置，其中：
使用来自所述燃料电池的所述水产出的至少一部分作为供应到所述转化器中的所述水。

5.  根据权利要求3的天然气发电装置，其中：
将来自所述转化器的所述一氧化碳和所述氢气产出与氧气一起供应到所述燃料电池中，并且所述燃料电池从中产生所述电力、热量以及二氧化碳和水流。

6.  根据权利要求5的天然气发电装置，其中：
所述分离器将所述流中的所述二氧化碳与所述水分离。

7.  根据权利要求6的天然气发电装置，其中：
所述燃料电池是固体氧化物燃料电池，并且所述氧气是从空气入口获得的。

8.  根据权利要求3的天然气发电装置，还包含：
变换器，所述变换器接收来自所述转化器的所述一氧化碳和所述氢气产出，并且利用所述产出以及水生成二氧化碳和氢气流，其中将所述流供应到所述分离器中，所述分离器将所述氢气供应到所述燃料电池中，所述燃料电池产生所述电力、所述热量和所述水。

9.  根据权利要求8的天然气发电装置，其中：
所述燃料电池是具有空气入口的固体氧化物燃料电池。

10.  根据权利要求3的天然气发电装置，还包含：
热交换器，所述热交换器使用来自所述燃料电池的所述热量加热被所述转化器使用的所述水和所述甲烷的至少一种。

11.  根据权利要求10的天然气发电装置，其中：
所述热交换器同时加热被所述转化器使用的所述水和所述甲烷。

12.  根据权利要求1的天然气发电装置，其中：
将所述二氧化碳在其中隔离的所述地质地层是所述甲烷生产地层。

13.  根据权利要求12的天然气发电装置，其中：
所述井眼是从中在第一深度获得所述甲烷且在与所述第一深度不同的第二深度将所述二氧化碳隔离在其中的双层完井。

14.  一种天然气发电装置，位于被至少一个井眼穿过的甲烷生产地层，所述天然气发电装置包含：
与所述井眼连接的第一管道，所述管道输送所述甲烷；
转化器，所述转化器接收水和所述甲烷，并且由其生成氢气和一氧化碳作为产出；
与所述转化器产出连接的固体氧化物燃料电池和分离器，其中来自所述燃料电池和分离器的产出包括电力、热量、水和二氧化碳；
压缩机，所述压缩机接收所述二氧化碳，并且将其压缩；以及
第二管道，所述第二管道与所述压缩机连接，并且将压缩的二氧化碳输送到所述地层中以在其中隔离。

15.  根据权利要求14的天然气发电装置，还包含：
与所述第一管道连接的涡轮膨胀机，其中所述涡轮膨胀机接收从所述井眼在第一压力下生产的所述甲烷，并且从中产生功，所述甲烷在相对于所述第一压力降低的压力下离开所述涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机具有轴，其中所述压缩机与所述轴机械连接。

16.  根据权利要求14的天然气发电装置，其中：
将来自所述转化器的所述一氧化碳和所述氢气产出与空气一起供应到所述固体氧化物燃料电池中，并且所述燃料电池从中产生所述电力、热量以及二氧化碳和水流，并且所述分离器将所述流中的所述二氧化碳与所述水分离。

17.  根据权利要求14的天然气发电装置，还包含：
变换器，所述变换器接收来自所述转化器的所述一氧化碳和所述氢气产出，并且利用所述产出以及水生成二氧化碳和氢气流，其中将所述流(steam)供应到所述分离器中，所述分离器将所述氢气供应到所述燃料电池中，所述燃料电池产生所述电力、所述热量和所述水。

18.  一种组合天然气发电及液化装置，所述组合天然气发电及液化装置位于或靠近被至少一个井眼穿过的甲烷生产地层，其包含：
与所述井眼连接的第一管道，所述管道输送所述甲烷；
热交换装置，所述热交换装置接收所述甲烷以由其生产液体天然气(LNG)流和蒸气天然气流；
用于存储所述LNG的装置；
转化器，所述转化器接收水和所述蒸气天然气流，并且由其生成氢气和一氧化碳作为产出；
与所述转化器产出连接的燃料电池和分离器，其中来自所述燃料电池和分离器的产出包括电力、热量、水和二氧化碳；
第一压缩机，所述第一压缩机接收所述二氧化碳，并且将其压缩；和
第二管道，所述第二管道与所述第一压缩机连接，并且将压缩的二氧化碳输送到地质地层中以在其中隔离。

19.  根据权利要求18的组合天然气发电及液化装置，其中：
所述热交换装置包含多级热交换器和分流器。

20.  根据权利要求19的组合天然气发电及液化装置，其中：
所述热交换装置还包含与所述分流器连接的阀膨胀机以及与所述阀膨胀机连接的分离器，所述分离器与所述用于存储所述LNG的装置连接。

21.  根据权利要求18的组合天然气发电及液化装置，还包含：
与所述热交换装置连接的第一涡轮膨胀机，其中所述第一涡轮膨胀机接收处于第一压力的所述蒸气天然气流，并且从中产生功，所述甲烷在相对于所述第一压力降低的压力下离开所述涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机具有与所述压缩机连接的轴。

22.  根据权利要求21的组合天然气发电及液化装置，还包含：
与所述热交换装置连接的第二涡轮膨胀机，其中所述第二涡轮膨胀机接收处于第二压力的所述蒸气天然气流，并且从中产生功，所述甲烷在相对于所述第二压力降低的压力下离开所述涡轮膨胀机，所述涡轮膨胀机具有第二轴；以及
第二压缩机，所述第二压缩机连接到所述第一压缩机以及所述第二涡轮膨胀机的所述第二轴。

23.  根据权利要求21的组合天然气发电及液化装置，还包含：
与所述第一压缩机联合的第一水分分离器以及与所述第二压缩机联合的第二水分分离器，所述第一和第二水分分离器用于将水与所述二氧化碳分离。

24.  根据权利要求22的组合天然气发电及液化装置，还包含：
第三压缩机，所述第三压缩机与所述第二压缩机连接并且通过所述燃料电池供以动力。

25.  根据权利要求18的组合天然气发电及液化装置，其中：
所述燃料电池是固体氧化物燃料电池。

零排放的天然气发电及液化装置
技术领域
本发明广泛涉及天然气发电装置。更具体而言，本发明涉及发电装置，所述发电装置利用从气田回收的天然气并且由于隔离二氧化碳副产品，在没有温室气体的大气排放物的情况下发电。本发明的发电装置可以提供纯的液体天然气(LNG)和/或氢气作为需要的产出。
背景技术
全球变暖及其对地球气候、海平面和人类生活方式的潜在影响是研究和讨论的活跃领域。尽管对全球变暖的原因有一些争辩，但是存在不容置疑的数据，即包括二氧化碳(CO₂)的温室气体的大气水平正在迅速上升。在地球大气中的二氧化碳水平正处于历史高水平。尽管二氧化碳的温室变暖的潜能比一些其它的温室气体小，但是由于排放到大气中的二氧化碳的绝对质量，在大气中的任何温室气体中，二氧化碳目前具有最高的影响。
由于燃烧化石燃料，据估计在2001年总共超过240亿公吨(吨)的二氧化碳被排放到地球大气中。一些人预言：在2025年之前，二氧化碳的总排放可能达到350亿吨。显然需要研究、设计和实现减少温室气体排放技术解决方案，以改善(to improved)能源解决方案。还明显的是在很短的时期内不可能出现化石燃料的大规模替换或替代。然而，如果可以收集并且存储(或隔绝)被释放到大气中的大量二氧化碳，则可以限制二氧化碳对全球变暖的潜在影响。隔离处理还可能为社会提供研究和设计替代能源解决方案的额外时间。
地质地层如含盐蓄水层、废弃的油田和气田以及煤层甲烷储集层是二氧化碳的长期存储的最主要候选地(candidates)。正在进行努力以确认用于二氧化碳隔离的适合的地质场所，该场所靠近将大量二氧化碳释放到大气中的工业区(例如，在西弗吉尼亚俄亥俄州河谷的孟亭尼尔厂(MountaineerPlant)，靠近德克萨斯州休斯顿的南李伯特油田(South Liberty Oil field)等)。隔离场所靠近大的二氧化碳来源对于避免越过大的距离泵送二氧化碳的高输送成本是适宜的。本发明考虑靠近发电装置隔离二氧化碳，以将输送成本降至最低。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供在气田或靠近气田的天然气发电装置，该天然气发电装置在没有温室气体的大气排放物的情况下发电。
本发明的另一个目的是提供在气田或靠近气田的天然气发电装置，该天然气发电装置发电并且将二氧化碳副产品隔离在气田中。
本发明的又一个目的是提供在气田或靠近气田的天然气发电装置，该天然气发电装置产生基本上纯的LNG作为产品。
本发明的再一个目的是提供在气田或靠近气田的天然气发电装置，该天然气发电装置产生饮用水作为副产品。
本发明的另一个目的是提供可以在不排放温室气体的情况下处理具有低至高的二氧化碳含量的天然气发电装置。
本发明的另一个目的是提供可以产生氢气作为副产品的天然气发电装置。
根据将在下面详细论述的这些目的，根据一个实施方案，天然气发电装置位于气田或靠近气田。天然气发电装置从气田中的井中获取天然气，并且利用天然气、固体氧化物燃料电池(SOFC)和空气产生电力、热量和副产品，如水和二氧化碳。SOFC的二氧化碳副产品被压缩并且导向井下，并且进入用于隔离的地层中。
根据另一个实施方案，从气田中的井中接收的天然气处于高压和高温，并且通过一个或多个涡轮膨胀机膨胀。涡轮膨胀机具有机械连接到一个或多个压缩机的轴上或者更优选共用该轴的轴。因此，利用通过天然气在涡轮膨胀机中释放的能量使压缩机运行，该压缩机压缩用于井下隔离的二氧化碳。
根据另一个实施方案，从气田中的井中接收的天然气处于高压和高温，并且经过一个或多个热交换器以充分降低温度，使得可以从一部分天然气获得液体天然气(LNG)的流。除LNG流以外，还将一些天然气在热交换器中再热，然后与所述的另两个实施方案中一个或两个一起利用。因此，可以将天然气的非LNG流最终运送到固体氧化物燃料电池(SOFC)中，并且用于产生电力、热量和副产品如水和二氧化碳。将SOFC的二氧化碳副产品压缩，并且导入井下，并且进入用于隔离的地层中。备选地，或者与SOFC一起使用，可以将非-LNG流如上所述地通过一个或多个涡轮膨胀机膨胀，所述涡轮膨胀机具有共用一个或多个压缩机的轴或者机械连接到一个或多个压缩机的轴上的轴。因此，利用通过天然气在涡轮膨胀机中释放的能量使压缩机运行，该压缩机压缩发电设备的二氧化碳，用于井下隔离。
对于本领域技术人员，通过参考结合提供的附图理解的详细描述，本发明的另外的目的和优点将变得明显。
附图说明
图1是本发明的第一实施方案的示意图。
图1a是使用单轴的现有技术膨胀机/压缩机涡轮的横截面。
图2是本发明的第二实施方案的示意图。
图3是本发明的第三实施方案的示意图。
图4是本发明的第四实施方案的示意图。
具体实施方式
转到图1，参见本发明的第一实施方案。具有天然气(或甲烷-该术语在此可交换地使用)的地层10被显示为具有一个或多个用于生产天然气的井眼或井20。通常根据熟知的技术在几百psig(磅/平方英寸表压)至超过一万psig之间的压力范围生产天然气，所述压力主要取决于从中生产气体的地层的深度。典型地，还相对于周围地层表面温度升高气体的温度。根据第一实施方案，通过管道25将在井20生产的天然气以管输送到位于地层10或附近的发电装置30。发电装置30包含下列单元：一个或多个涡轮膨胀机32；任选的热交换器34、转化器36、第二任选的热交换器38、固体氧化物燃料电池(SOFC)40、分离器42和压缩机44。
如在图1中所见，发电装置30接收天然气，并且使其通过一个或多个涡轮膨胀机32(显示了一个)，在此天然气的膨胀降低其温度和压力，并且以有用的电力形式回收功(如下文所述)。将涡轮膨胀机的排出物供应到任选的热交换器34中，所述热交换器34(在起动后)将天然气在转化器136中的反应之前预热。预热的天然气在转化器36中与水反应以根据反应生成氢气(H₂)和一氧化碳(CO)，所述水是在如下所述的循环的另一部分产生的，并且是任选通过温度在700℃和1100℃(在20psia-绝对磅/平方英寸下，典型为900℃)之间的第二热交换器38预热的(在起动后)。该反应是吸热的，即它需要热量，该热量是如下所述通过SOFC40提供的。在供给到SOFC 40中之前，使CO和H₂混合物(与任何残留的甲烷和水一起)在第二热交换器38冷却。
SOFC 40是基本上起着由德国西门子公司(Siemens，AG)或马萨诸塞州韦斯特伍德的阿酷门特里克斯(Acumentrics of Westwood)出售的SOFC的作用的固体氧化物燃料电池。特别是，将气流(主要为CO和H₂混合物以及残留的甲烷和水)与含有氧气的空气流一起供应到SOFC中。在SOFC中发生的反应包括：(1)；(2)；和(3)。第三反应是放热的，并且该反应的自由能变化是高度负的，使得该反应将继续在适合的条件下完成。SOFC在高温下工作。这允许高效率地转化为电力，内部转化以及高质量的副产品热量，所述热量可以通过热交换器34和38用于供给转化器36所需的起动后热量。
SOFC的产出不但有电力和热量，而且有水(蒸汽)、二氧化碳以及具有较少氧气的空气。空气被释放到环境大气中，并且可以通过任选的热交换器41以加热进入的空气。通过可以以旋风分离器或膜的形式实现的分离器42将水和二氧化碳分离。将一些水(蒸汽)以管输送回到转化器36中以在此利用。其余是可以装瓶、储存或另外利用(例如，用于农业)的高纯度水。将通过分离器42分离的二氧化碳被送到一个或多个压缩机44(显示了一个)中，所述压缩机44将CO₂的压力提高至允许通过管道或管道系统45将二氧化碳向下泵送到井20和地层10中以在此隔离的水平。如本领域技术人员所理解的，将二氧化碳泵送到其中而隔离的井可以是或可以不是从中生产甲烷的相同井。在使用相同的井时，该井典型为双层完井。
根据本发明的一个方面，系统的一个或多个压缩机44通过系统的涡轮膨胀机32供以动力。更特别地，并且如图1a中所见，基本上起着由克里奥斯达(Cryostar)(加利福尼亚)生产的涡轮的作用的涡轮膨胀机/压缩机48包含：具有共有轴49的压缩机44和膨胀机32。因此，将通过涡轮膨胀机32回收的所有功用在压缩侧，以驱动压缩机44。将通过涡轮膨胀机由来自地层的高压甲烷的膨胀产生的功直接传递到压缩机上以压缩用于隔离的二氧化碳，显著提高了系统的效率。如果需要另外压缩二氧化碳，则可以利用通过SOFC产生的一些电力使另外的压缩机运行。
根据本发明的另一个方面，可以将在转化器生成的一些氢气从流中分出去，并且存储在适合的存储设备中以在需要时利用或装运，代替将转化器36的全部产出供给到SOFC 40中。
本领域技术人员应当理解，图1的发电装置30能够处理二氧化碳含量为没有、低或高的天然气流。特别是，二氧化碳将与甲烷流一起通过任何膨胀机、热交换器和转化器，将与通过转化器提供的气流一起被供应到SOFC中，并且将与通过SOFC生成的二氧化碳一起被分离器分离。
现在转到图2，参见本发明的第二实施方案。第二实施方案与第一实施方案类似，并且相同的部分是用增加“100”的相同标记表示的。因此，具有天然气(甲烷)的地层110被显示为具有用于生产天然气的一个或多个井眼或井120。通常根据熟知的技术在几百psig至超过一万psig之间的压力范围生产天然气，所述压力主要取决于从中生产气体的地层的深度。典型地，还相对于周围地层表面温度升高气体的温度。根据第二实施方案，通过管道125将在井120生产的天然气以管输送到位于地层110或附近的发电装置130。发电装置130包含下列单元：一个或多个涡轮膨胀机132；任选的热交换器134、转化器136、第二任选的热交换器138、变换器(shifter)139、固体氧化物燃料电池(SOFC)140、分离器142和压缩机144。
如在图2中所见，发电装置130接收天然气，并且使其通过一个或多个涡轮膨胀机132(显示了一个)，在此天然气的膨胀降低其温度和压力，并且以有用的电力形式回收功(如下文所述)。将涡轮膨胀机的排出物供应到任选的热交换器134中，所述热交换器134(在起动后)将天然气在转化器136中的反应之前预热。预热的天然气在转化器136中与水反应以根据反应生成氢气(H₂)和一氧化碳(CO)，所述水是在如下所述的循环的另一部分产生的，并且是任选通过温度在700℃和1100℃之间的第二热交换器138预热的。该反应是吸热的，即它需要热量，该热量是如下所述通过SOFC 140提供的。在供给到变换器139如与大阪气体模型FPS 1000(Osaka Gas Model FPS 1000)类似的变换器中之前，使CO和H₂混合物(与任何残留的甲烷和水一起)在第二热交换器138冷却。在变换器中，来自转化器的产出与水(也从如下所述的SFC140的产出中获得)反应以根据反应生成二氧化碳和氢气。然后将二氧化碳和氢气(与任何残留的甲烷、水和一氧化碳一起)供应到分离器142中。
图2的实施方案的分离器142可以是起着将更大的二氧化碳分子与更小的氢气分子分离的作用的膜。备选地，可以使用其它类型的分离器，例如基于变压吸附的分离器。将二氧化碳供应到一个或多个压缩机144(显示了一个)中，所述压缩机144将CO₂的压力提高至允许通过管道或管道系统145将二氧化碳向下泵送到井120(可以或可以不是从中生产甲烷的相同井)和地层110中以在此隔离的水平。将氢气供应到SOFC中。
SOFC 140是基本上起着由德国西门子公司(Siemens，AG)或马萨诸塞州韦斯特伍德的阿酷门特里克斯(Acumentrics of Westwood)出售的SOFC的作用的固体氧化物燃料电池。特别是，将来自分离器142的H₂气流与含有氧气的空气流一起供应到140 SOFC中。在SOFC中发生的主要反应是放热反应。该反应的自由能变化是高度负的，使得该反应将在适合的条件下继续向右，并且将释放显著量的能量。SOFC在高温下工作。这允许高效率地转化为电力，内部转化以及高质量的副产品热量，所述热量可以通过热交换器134和138用于供给转化器136所需的起动后热量。
SOFC的产出不但有电力和热量，而且有水(蒸汽)以及具有较少氧气的空气。空气被释放到环境大气中，在此之前它可以通过任选的热交换器141以加热进入的空气。将一些水(蒸汽)以管输送回到转化器136以及变换器139中(通过热交换器138)以在此利用。其余是可以装瓶、储存或另外利用(例如，用于农业)的高纯度水。
根据本发明的一个方面，系统的一个或多个压缩机144通过如上面参考图1所论述的系统的涡轮膨胀机132供以动力，并且在优选实施方案中，被安置成包含共有轴。因此，将通过涡轮膨胀机132回收的所有功用在压缩侧，以驱动压缩机144。将通过涡轮膨胀机由来自地层的高压甲烷的膨胀产生的功直接传递到压缩机上以压缩用于隔离的二氧化碳，显著提高了系统的效率。如果需要另外压缩二氧化碳，则可以利用通过SOFC产生的一些电力使另外的压缩机运行。
根据本发明的另一个方面，可以将在转化器和/或变换器139生成的一些氢气从流中分出去，并且存储在适合的存储设备中以在需要时利用或装运，代替将转化器136的全部产出供给到变换器139中和/或代替将变换器139的全部产出供给到SOFC 140中。
本领域技术人员应当理解，图2的发电装置130能够处理二氧化碳含量为没有、低或高的天然气流。特别是，二氧化碳将与甲烷流一起通过任何膨胀机、热交换器和转化器，将与通过转化器提供的气流一起被供应到变换器中，并且将与通过变换器生成的二氧化碳一起被分离器142分离。
现在转到图3，参见本发明的第三实施方案。第三实施方案具有一些与第一实施方案(和第二实施方案)共同的单元，并且相对于第一实施方案，相同的单元是用增加“200”的相同标记表示的。因此，具有天然气(甲烷)的地层(没有显示)被用于生产天然气的一个或多个井眼或井(没有显示)穿过。通常根据熟知的技术在几百psig至超过一万psig之间的压力范围生产天然气，所述压力主要取决于从中生产气体的地层的深度。典型地，还相对于周围地层表面温度升高气体的温度。根据第三实施方案，将来自井的甲烷通过第一管道或管(未显示)以管输送到位于地层或附近的发电装置230。发电装置230包含下列单元：四级热交换器211(具有单元211a、211b、211c、211d)；分流器213；阀膨胀机215；气/液分离器217；混合器219；一个或多个涡轮膨胀机232a、232b；热交换器234；转化器236；固体氧化物燃料电池(SOFC)240；空气/空气热交换器241；一个或多个水分分离器242a、242b、242c；以及一个或多个压缩机244a、244b、244c。
更具体而言，将从一个或多个井供应到发电装置230中的天然气送到四级热交换器211，在此天然气的温度降低至随后的膨胀将导致液化的点。通过分流器213将冷却的天然气分开，使得约10％至40％的气体被送到阀膨胀机215，并且将其余气体送回到热交换器211的第四级211d。将送到阀膨胀机215的气体的压力通过阀膨胀机降低，从而导致大量气体液化。然后将该流供应到将液体LNG与天然气蒸气分离的分离器217中。液体LNG典型地占通过井220提供的所有甲烷的约20-30％，并且如本领域中所知道的，被存储在适合的存储设备中以装运到需要的场所。
将被送回到热交换器的第四级211d的甲烷气体在热交换器的三级211d、211c和211b中加热，并且供应到压力比为1.1至10.0，优选范围为3.0至8.0的涡轮膨胀机232a中。作为这种膨胀的结果，如下所述从涡轮中回收有用功。来自涡轮膨胀机232a的排出物(outlet)温度是进入温度、压力比和涡轮效率的函数，然后将来自涡轮膨胀机的排出物供给到四级热交换器的第三级211c，在此将该流优选再热至环境的几度内，然后供应到第二涡轮膨胀机232b中，所述第二涡轮膨胀机232b在其压力比方面与涡轮膨胀机232a基本上相同。第二涡轮膨胀机同样优选提供如下所述利用的有用功。将来自涡轮膨胀机232b的排出物供应到混合器219中，在此将来自蒸气分离器217的天然气与来自涡轮膨胀机232b的天然气混合。然后输送混合的流穿过热交换器211的所有四级，然后到达另一个热交换器234以在将其供应到转化器236中之前预热。
预热的天然气在转化器236中与水(其是在如下所述的循环的另一部分产生的)反应，以根据反应生成氢气(H₂)和一氧化碳(CO)，并且所述的水通过热热交换器234(或单独的热交换器-没有显示)预热至700℃和1100℃之间的温度。
在转化器236中反应之后，可以将一氧化碳和氢气以与图1中所示相同的方式供应到燃料电池240或者可以将其以与图2中所示相同的方式送到变换器(没有显示)。为简单起见，图3的配置是与图1类似地显示的，其中没有显示变换器，并且二氧化碳分离发生在燃料电池中的反应之后，并且在下文中将参考该种类型的配置描述图3的实施方案。然而，应当理解：本发明包括其中图3的系统使用示于图2中的配置的实施方案，其中将转化器的产出供应到变换器中，并且在流到达SOFC 240之前进行二氧化碳分离。
SOFC 240是基本上起着由德国西门子公司(Siemens，AG)或马萨诸塞州韦斯特伍德的阿酷门特里克斯(Acumentrics of Westwood)出售的SOFC的作用的固体氧化物燃料电池。特别是，将气流与含有氧气的空气流供应到SOFC中。在SOFC中发生的反应包括：(1)；(2)；和(3)。第三反应是放热的，并且该反应的自由能变化是高度负的，使得该反应将继续在适合的条件下完成。在由电池效率指示的SOFC中，所有反应的自由能被转化为电功。SOFC在高温下工作。这允许高效率地转化为电力，内部转化以及高质量的副产品热量，所述热量可以用于供给转化器236所需的热量，例如通过加热甲烷流和通过提供高温水(蒸汽)流所需的热量。
SOFC的产出不但有电力和热量，而且有水(蒸汽)、二氧化碳以及具有较少氧气的空气。空气被释放到环境大气中，并且可以通过任选的热交换器241以加热进入的空气。然后将水(蒸汽)和二氧化碳送到一连串水分分离器和压缩机中。如图3中所示，首先通过可以根据需要实现的第一水分分离器242a分离水和CO₂流。将一些水以管输送回到转化器236中(通过热交换器234)以在此利用。其余是可以装瓶、储存或另外利用(例如，用于农业)的高纯度水。将通过分离器242a分离的二氧化碳送到第一压缩机244a中。然后将第一压缩机244a的产出送到第二水分分离器242b中，所述第二水分分离器242b生成水输出流以及更纯化的二氧化碳流。将二氧化碳流通过第二压缩机244b压缩，然后将其送到第三水分分离器242c中，所述第三水分分离器242c生成水输出流以及甚至更纯化的二氧化碳流。将该流送到第三压缩机244c中，所述第三压缩机244c将CO₂的压力提高至允许将二氧化碳向下泵送到井和地层中以在此隔离的水平。然后可以将压缩的流送到最后的水分分离器242d中，之后在向井下送到从中获得甲烷的井(即双层完井)的不同地层或送到不同井中。
根据本发明的一个方面，系统的一个或多个压缩机244a和244b通过系统的涡轮膨胀机232a和232b供以动力。更特别地，涡轮膨胀机232a和压缩机244a共用共有轴，并且涡轮膨胀机232b和压缩机244b共用共有轴。因此，将通过涡轮膨胀机232a、232b回收的所有功用在压缩侧，以驱动压缩机244a、244b。将通过涡轮膨胀机由来自地层的高压甲烷的膨胀产生的功直接传递到压缩机上以压缩用于隔离的二氧化碳，显著提高了系统的效率。可以通过由SOFC产生的电力电驱动第三级压缩机244c。
与使用第一和第二实施方案一样，图3的发电装置230可以单独产生氢气。另外，发电装置230可以使用并且处理二氧化碳含量为没有、很少或高的天然气。
本领域技术人员应当理解，除非在甲烷在热交换器211中的液化之前分离气流中的二氧化碳，否则第三实施方案可能局限于处理在气流中含有0-5％二氧化碳的甲烷。更具体而言，二氧化碳将随着混合的气流冷却至液化温度而凝固。如果天然气流包含大于5％的二氧化碳，则为了避免凝固问题，适宜的是使用任何已知的技术和装置，如中空纤维膜或其它膜、PSA(变压吸附)、TSA(变温(thermal swing)吸附)或TPSA(变热-变压吸附)吸附装置或胺吸收装置(均没有显示)分离二氧化碳与甲烷。采用膜技术，将预定分子孔径用来将二氧化碳与甲烷分离。在PSA、TSA或TPSA吸附装置中，高压流通过其中吸附二氧化碳的一个床。在该床在预定的时间长度内在线(online)，并且被二氧化碳饱和之后，将进料切换到第二床中。在PSA、TSA或TPSA循环中，在将进料切换到第二床中的同时，使用来自液化器的低压流出流或者使用热空气将第一床再生。在胺吸收中，使用液体胺从天然气流中吸收二氧化碳。之后将带有二氧化碳的胺蒸馏以释放二氧化碳。与使用何种分离机构无关，优选得到的天然气流在其中含有0-5％二氧化碳。在最初或处理的天然气流具有0-5％二氧化碳的情况下，可以使用分子筛(没有显示)将二氧化碳与甲烷在用于热交换器之前进一步分离，和/或可以使用反向交换器模式以使供应到热交换器234中的流和排出物流中的“天然气”在交换器211a、211b、211c和211d中交换通道(exchange passages)，使得来自进料流的二氧化碳在一个通道中凝固出来，然后被低压流蒸发。以这种方式，避免二氧化碳的堵塞凝固。
在图4中参见本发明的第四实施方案。第四实施方案与第一实施方案类似，并且相同的部分是用增加“300”的相同标记表示的。因此，具有天然气(甲烷)的地层310被显示为具有用于生产天然气的井眼或井320。通常根据熟知的技术在几百psig至超过一万psig之间的压力范围生产天然气，所述压力主要取决于从中生产气体的地层的深度。典型地，还相对于周围地层表面温度升高气体的温度。根据第四实施方案，通过管道或管道系统325将在井320生产的天然气以管输送到位于地层310或附近的发电装置330。发电装置330包含下列单元：一个或多个涡轮膨胀机332；任选的热交换器338；固体氧化物燃料电池(SOFC)340；分离器342和压缩机344。
发电装置330接收天然气，并且使其通过一个或多个涡轮膨胀机332(显示了一个)，在此天然气的膨胀降低其温度和压力，并且以有用的电力形式回收功(如下文所述)。任选使涡轮膨胀机的排出物通过热交换器338，然后将其供应到SOFC 340中。
SOFC340是基本上起着由德国西门子公司(Siemens，AG)或马萨诸塞州韦斯特伍德的阿酷门特里克斯(Acumentrics of Westwood)出售的SOFC的作用的固体氧化物燃料电池。特别是，将甲烷气流与含有氧气的空气流一起供应到SOFC中。在SOFC 340中发生的反应是。该反应是放热的，并且将释放显著量的能量。因为一些甲烷不可能反应，所以可以使用后燃烧器(after-burner)(没有显示)。
SOFC在高温下工作。SOFC的产出不但有电力和热量，而且有水(蒸汽)、二氧化碳以及具有较少氧气的空气。空气被释放到环境大气中，并且可以通过任选的热交换器341以加热进入的空气。通过可以以膜或旋风分离器的形式实现的分离器342将水和二氧化碳分离。优选使用蒸汽通过热交换器338预热进入的甲烷气流。在冷却之后，由蒸汽获得高纯度水，并且可以将水装瓶、储存或另外利用(例如，用于农业)。将通过分离器342分离的二氧化碳送到一个或多个压缩机344(显示了一个)中，所述压缩机344将CO₂的压力提高至允许通过管道或管道系统345将二氧化碳向下泵送到井320和地层310中以在此隔离的水平。尽管在由与向下泵送二氧化碳而隔离的相同井生产甲烷气体的情况下，在图4中显示了双层完井320，但是如本领域技术人员所理解的，将二氧化碳泵送到其中而隔离的井可以是或可以不是从中生产甲烷的相同井。
根据本发明的一个方面，并且如在上面参考其它实施方案描述，系统的一个或多个压缩机344优选通过系统的涡轮膨胀机332供以动力，并且与其共用轴。因此，将通过涡轮膨胀机332回收的所有功用在压缩侧，以驱动压缩机344。将通过涡轮膨胀机由来自地层的高压甲烷的膨胀产生的功直接传递到压缩机上以压缩用于隔离的二氧化碳，显著提高了系统的效率。如果需要另外压缩二氧化碳，则可以利用通过SOFC产生的一些电力使另外的压缩机运行。
本领域技术人员应当理解，图4的发电装置330能够处理二氧化碳含量为没有、低或高的天然气流。特别是，二氧化碳将与甲烷流一起通过任何膨胀机和热交换器，并且将与甲烷流一起被供应到SOFC中。将通过分离器342将甲烷中的二氧化碳与通过SOFC中的反应生成的二氧化碳一起分离。
本领域技术人员应当理解，用于井下二氧化碳隔离的特定技术在本发明的范围以外。同时，在设计根据本发明运行的任何发电装置中，适宜的是确定二氧化碳被注入回到地层中时的压力，使得可以考虑所需要或预期的压缩机的数量，以及它们运行时的压缩比。通常，如果可能的话，则适宜的是在比生产甲烷时的压力低的压力下将二氧化碳注入地层中。因此，通常适宜的是将二氧化碳注入地层中与从中生产甲烷的一个或多个层相比更靠近表面的层中。然而，还应当认识到可以在比甲烷生产压力高的压力下注入二氧化碳。
本领域技术人员还应当理解，根据本发明的一个方面，非常适宜的是使发电装置位于井位置(在气体生产地层上)，以将送到发电装置的甲烷和来自发电装置的二氧化碳废物的管道降至最少。因此，对于本发明，如果发电装置在井位置的100km以内，则发电装置被认为是＂在或靠近＂井位置。在发电装置直接位于井位置时，通常适宜的是延伸电网使得可以将发电装置连接(hook up)到电网上。然而，可以将通过本发明的燃料电池产生的电力用于任何需要的工业目的，和/或将电力存储在电池或其它电存储系统中。
本领域技术人员还应当理解：本发明的各个方面可以与本发明的其它方面无关地得到实现。因此，例如，在仍然将涡轮膨胀机(其从甲烷中产生功)和压缩机(压缩二氧化碳)的轴连接在一起的同时，可以使用其它类型的燃料电池或其它发电循环代替SOFC。
在此描述并且说明了在二氧化碳隔离的情况下的天然气发电装置的几个实施方案及相关方法。尽管描述了本发明的具体实施方案，但是不意在将本发明限于此，实际上意图在于本发明的范围如本领域所允许地那么宽，并且应同样地理解本说明书。因此，尽管公开了具体的转化器、变换器和SOFC装置，但是应当理解还可以使用其它装置。另外，描述了单个系统，应当理解发电装置可以具有并联运行的多个系统或者取决于它将处理的天然气的量，单一的放大系统。而且，尽管公开了关于热交换器、涡轮发电机、压缩机和水分分离器的具体构造，但是应当理解还可以使用其它构造，原因是单个单元可以被多个单元代替，反之亦然。此外，尽管描述了位于天然气生产地层的发电装置，但是应当理解在将天然气以管输送到工厂中，并且将二氧化碳以管输送到井下隔离所需的场所的情况下，发电装置可以位于地层处“附近”。因此，本领域技术人员应当理解还可以在不偏离所提供的本发明的精神和所要求的范围的情况下，对其进行其它修改。