Способ комбинированного преобразования энергии

 

Использование: в энергетике при преобразовании тепловой энергии в электрическую с применением открытого МГД-цикла. Сущность изобретения: первичное углеводородное топливо вводится в термохимический конвертор в поток продуктов сгорания, использованных в МГД-цикле, в количестве, обеспечивающем получение избыточного синтез-газа по сравнению с используемым в МГД-генераторе. Этот избыточный синтез-газ направляется в газотурбинную установку. Тепло выхлопных газов ГТУ используется в парогенераторе для нагрева одного из двух потоков пара паротурбинной установки до той же температуры, до которой нагревается второй поток пара до точки смешения этих потоков в парогенераторе. В системе регенерации присадки из шлака, выделенного в фильтре, вымывают присадку, после чего шлак возвращают в поток продуктов сгорания в блок возгонки присадки на участке между МГД-каналом и термохимическим конвертором, нагревают до температуры свыше 2200 К и окончательно выводят шлак из цикла. В камере сгорания 1 МГД-генератора используется в качестве окислителя кислород.

Изобретение относится к преобразованию энергии, в частности к магнитогидродинамическому (МГД) способу преобразования энергии с термохимической конверсией топлива, и может быть использовано в энергетике при преобразовании тепловой энергии в электрическую в открытом МГД-цикле. Известен способ МГД-преобразования энергии с термохимической регенерацией тепла, которая осуществляется посредством эндотермических реакций конверсии первичного углеводородного топлива с продуктами сгорания синтез-газа при смешении части потока продуктов сгорания, покидающих МГД-генератор, с топливом и подводе остального тепла к конвертируемой смеси с помощью высокотемпературных теплообменных аппаратов. Однако высокая эффективность этого способа может быть достигнута только при решении сложных технических проблем создания теплообменных аппаратов для нагрева конвертируемой смеси свыше 1200^оС от потока химически агрессивной среды высокотемпературных, более 2000 К, продуктов сгорания, содержащих присадку, кроме того, в случае использования угля конвертируемая смесь содержит еще и шлак. Известен способ МГД-преобразования энергии с термохимической конверсией, свободный от указанного недостатка, включающий сжигание в камере сгорания МГД-генератора синтез-газа в общем случае в обогащенном кислородном окислителе и получение этого синтез-газа посредством проведения эндотермических реакций конверсии первичного топлива при его смешении с большей частью покидающих МГД-генератор высокотемпературных продуктов сгорания и последующего отделения из конвертированной смеси в низкотемпературной части цикла двуокиси углерода и воды. Электроэнергия по этому способу вырабатывается в МГД-генераторе и во вторичном паротурбинном цикле, при этом в паротурбинном цикле электроэнергия вырабатывается за счет тепла продуктов сгорания после МГД-генератора и тепла охлаждения высокотемпературных элементов схемы, за вычетом его расхода на проведение конверсии, регенерации в МГД-цикле и на технологические нужды в системе газоотделения. Недостатки указанного способа, снижающие его эффективность, следующие: - неполное использование потенциального выигрыша от применения высокотемпературной термохимической конверсии при неизбежном для этого способа выводе части продуктов сгорания за МГД-генератором, несущих тепло высокого потенциала, помимо термохимического конвертора (ТХК), в низкотемпературную часть схемы; - необходимость применения в МГД-цикле специальных мер по снижению уровня выбросов NO_x с продуктами сгорания, не проходящими через ТХК, таких, например, как сжигание синтез-газа в камере сгорания МГД-генератора при недостатке окислителя, что уменьшает расход и, следовательно, генерируемую мощность; - необходимость обеспечения чрезвычайно высокого коэффициента преобразования энтальпии (η_N) в МГД-генераторе для достижения высокого КПД сложного паротурбинного МГД цикла, реализующего рассматриваемый способ, и существенное уменьшение этого КПД при технически ограниченных значениях этого параметра; - значительное снижение эффекта экономии топлива в рассматриваемом сложном цикле в случае использования угля из-за уноса дорогостоящей присадки шлаком. Целью изобретения является повышение эффективности способа преобразования энергии путем увеличения КПД преобразования энергии, снижения потерь присадки и уменьшения габаритов и стоимости оборудования. Поставленная цель достигается тем, что в способе комбинированного преобразования энергии, включающем производство электроэнергии в бинарном МГД паротурбинном цикле за счет сжигания синтез-газа в камере сгорания МГД-генератора и получение синтез-газа посредством эндотермических реакций конверсии первичного углеводородного топлива - угля с продуктами сгорания МГД-цикла при их смешении за МГД-генератором в термохимическом конверторе с последующим выделением синтез-газа из газовой смеси в низкотемпературной части цикла после прохождения продуктов конверсии через парогенератор и фильтр очистки от шлака и присадки, в качестве окислителя в МГД-генераторе используют кислород, первичное топливо смешивают в конверторе с полным потоком продуктов сгорания из МГД-генератора, при этом топливо в конвертор вводят в количестве, необходимом для получения избыточного по сравнению с используемым для МГД-генератора количеством синтез-газа, избыточный синтез-газ направляют в газотурбинную установку, а для паротурбинной установки пар получают из потока, генерируемого с помощью выхлопных газов газовой турбины, и первичного потока, генерируемого теплом продуктов конверсии, эти потоки пара смешивают при одинаковых температурах и далее нагревают с помощью продуктов конверсии, причем шлак, отделяемый от продуктов конверсии в парогенераторе за конвертором и в фильтрах, направляют в блок отмывки присадки, а затем вводят в поток продуктов сгорания на участке между МГД-генератором и конвертором, где его повторно нагревают до температуры выше 2200 К и затем выводят из цикла. На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки, реализующей предложенный способ; на фиг. 2 - расчетная зависимость термического КПД η способа от коэффициента преобразования энтальпии в МГД-генераторе при различных значениях параметра x - отношения расхода синтез-газа в газотурбинном цикле к его расходу в МГД-цикле. Преобразование энергии осуществляют в энергетической установке, принципиальная схема которой показана на фиг. 1. Установка содержит камеру сгорания 1 с системой 2 ввода присадки и системой 3 ввода кислорода, а также ввод синтез-газа из подогревателя, встроенного в парогенератор 4 (ПГ-1), МГД-канал 5, устройство 6 возгонки присадки и сепарации шлака с системой 7 вывода шлака из цикла, термохимический конвертор 8 (ТХК) с системой 9 подачи первичного топлива, сухой фильтр 10 (например, электрофильтр) для вывода первичного шлака с присадкой, влажный фильтр - конденсатор 11 для очистки продуктов конверсии от пылевидных частиц и вывода воды, адсорбер 12 и испаритель 13 системы вывода двуокиси углерода. Конденсатор 11 соединен с газотурбинной частью 14 установки (ГТУ), которая соединена с парогенератором 15 (ПГ-2). Паротурбинная часть 16 установки (ПТУ) работает на паре парогенератора 4 (ПГ-1) и парогенератора 15 (ПГ-2). Установка содержит также компрессор 17 синтез-газа, систему 18 охлаждения высокотемпературных элементов контура МГД-генератора, передающую тепло в испаритель 13, систему 19 регенерации присадки, включенную на выходе фильтра 10. В представленной схеме не указаны известные для МГД-электростанций открытого цикла вспомогательные системы и устройства. Способ преобразования энергии осуществляют следующим образом. В камере сгорания 1 сжигают синтез-газ в кислороде, поступающем из системы 3, вводят присадку из системы 2 и образовавшуюся плазму продуктов сгорания направляют в МГД-канал 5, где происходит преобразование тепловой энергии продуктов сгорания в электроэнергию. За МГД-генератором в высокотемпературный поток в устройстве 6 возгонки присадки и сепарации шлака вводят шлак, содержащий неудаленную при отмывке в системе регенерации присадку, прогревают его до температуры более 2200 К, чем обеспечивается разложение соединений присадки со шлаком и испарение ее, сепарируют шлак с помощью, например, циклона, и выводят его из цикла через систему 7. Поток продуктов сгорания подают затем вместе с органическим топливом из системы 9 подачи в термохимический конвертор 8, где при смешении в потоке осуществляются эндотермические реакции конверсии первичного топлива с продуктами сгорания за счет физического тепла последних. Поскольку полнота реакции конверсии через константы скорости реакции связана с температурой, а время реакций - время пребывания в конверторе - определяет его габариты, оптимальная температура на выходе конвертора определена расчетом на уровне 1700 К при использовании в качестве первичного топлива угля и 1500 К - при использовании природного газа. Теплоту конвертированной смеси из ТХК используют для генерирования пара в первом парогенераторе 4 (ПГ-1) со встроенным подогревателем синтез-газа, затем смесь направляют на сухую очистку в фильтр 10 (например, электрофильтр), где отделяют и шлак и присадку. Для полного пылеудаления поток пропускают также через влажный фильтр-конденсатор 11. Очищенный от пыли и влаги, но содержащий CO₂, синтез-газ в количестве, соответствующем рабочему значению параметра x, направляют в газотурбинную часть 14 установки, основной же поток конвертированных газов направляют в устройство отделения двуокиси углерода, содержащее адсорбер 12 CO₂, соединенный с испарителем 13 (десорбером), которые работают по одной из известных технологических схем, например, карбонатной очистки. Очищенный синтез-газ из адсорбера 12 направляют в многоступенчатый компрессор 17, имеющий промежуточное охлаждение и конденсатор, включенный перед последней ступенью сжатия для уменьшения содержания воды как балласта в синтез-газе. Затем газ направляют во встроенный (например, металлический трубчатый) теплообменник-регенератор в парогенераторе 4, а с его выхода при температуре порядка 900^оС - в камеру сгорания 1 МГД-генератора. Тепло охлаждения высокотемпературных элементов контура - камеры сгорания 1 и МГД-канала 5 - из системы 18 используют в испарителе 13. Это значительно упрощает исполнение такой системы охлаждения в сравнении с известным использованием ее для генерации пара высоких параметров с целью последующей выработки электроэнергии в ПТУ. Продукты сгорания из газотурбинной части 14 установки направляют в парогенератор 15, совместно с парогенератором 4 вырабатывающий пар для паротурбинной части 16 установки, производящей за счет этого электроэнергию. Показанная на фиг. 1 организация потоков пара в парогенераторах 4, 15 обеспечивает повышение температуры пара, производимого в парогенераторе 15, за счет его дополнительного нагрева совместно с начальным потоком в парогенераторе 4 от источника тепла - продуктов конверсии за конвертором 8, имеющего значительно более высокий уровень температуры (1700 К), чем продукты сгорания за ГТУ 14. Этим увеличивается суммарная эффективность использования тепла в паротурбинной части 16 установки. Процессы, характеризующие работу установки по данному способу, иллюстрирует таблица расчетного материального баланса. Из таблицы можно заключить, что использование в качестве окислителя технического кислорода (α≅ 5% ) является необходимым условием принципиального осуществления указанного способа из-за эффекта накопления балластного азота в МГД-цикле (особенно значительного при наименьших возможных значениях x, например, из варьируемых x = 0,15-0,6 в расчетах энергетической эффективности установки, представленных на фиг. 2). Наличие балластного азота в рабочем теле МГД-генератора ведет к снижению его температуры и, примерно в экспоненциальной зависимости от температуры, уменьшению проводимости, что снижает эффективность МГД-преобразования энергии. Несмотря на то, что это обстоятельство очевидно, в известных схемах МГДЭС кислород не используется в качестве средства достижения высокого термического КПД ввиду относительно большого расхода энергии на его производство. В настоящем техническом решении увеличение начальной энтальпии рабочего тела в МГД-генераторе, связанное с применением кислорода, позволяет не только повысить эффективность производства в нем электроэнергии, но и конвертировать при высокой температуре в синтез-газ дополнительное количество первичного топлива, что, в случае использования угля, позволяет увеличить мощность парогазовой части установки (если первичное топливо газ и в результате конверсии получают синтез-газ, основной выигрыш может быть получен за счет его более высокой стоимости как субпродукта для химической промышленности). Начальная энтальпия на входе в рассматриваемом случае достигает 7 МДж/кг, температура 3200-3300 К, и при этом даже в случае преобразования в электроэнергию 35% энергии потока температура торможения за МГД-каналом составляет более 2500 К при проводимости в потоке на уровне нескольких единиц Ом/м. Эти параметры намного превосходят уровень общепринятых значений. Производство в ТХК дополнительного (к потребляемому в МГД-цикле) синтез-газа обеспечивает повышение КПД за счет его использования в парогазовом цикле, а также уменьшает степень балластирования азотом рабочего тела МГД-генератора, что видно из таблицы материального баланса, и уменьшает подлежащее отделению количество двуокиси углерода из конвертированной смеси и расходы энергии на его отделение. Использование в качестве первичного топлива угля в энергетических установках с МГД-преобразованием энергии ставит одну и сложнейших технических задач - предотвращение уноса дорогостоящей присадки из МГД-цикла с золой. По оценкам, потеря 10% присадки эквивалентна перерасходу топлива при снижении КПД МГДЭС на 1% . Предлагаемое техническое решение обеспечивает отгонку присадки из шлака, выводимого из цикла, в процессе высокотемпературного разложения соединений присадки и шлака в потоке непосредственно за каналом МГД-генератора благодаря тому, что при Т > 2200 К содержание присадки в шлаке пренебрежимо мало, т. е. практически вся присадка находится в газовой фазе. Введение в конвертор всего потока продуктов сгорания за МГД-генератором и участком рециклинга шлака наряду с возможностью конвертировать максимальное количество первичного топлива исключает выбросы в атмосферу окислов азота, присутствующих в неконвертированных продуктах сгорания. Поскольку снижение выбросов NO_x в МГД-циклах осуществляется за счет сжигания топлива в камере сгорания МГД-генератора при недостатке окислителя с последующим дожиганием в нижнем цикле, что снижает общую эффективность, предлагаемое техническое решение оказывается более эффективным. Отметим эффект повышения КПД при объединении паротурбинной части комбинированных МГД-паротурбинного и парогазового циклов способом, показанным на фиг. 1. Генерируемый в парогенераторе 15 за газовой турбиной поток пара не очень высоких параметров направляют в парогенератор 4, смешивают его с потоком пара в нем при примерно равных температурах и греют далее за счет физического тепла продуктов конверсии на выходе ТХК, имеющих температуру 1700 К. Указанное повышение параметров пара на входе паровой турбины при сохранении общего количества используемого в паротурбинном цикле тепла дает тем самым больший эффект, чем выполнение МГД-паротурбинного и парогазового циклов раздельными, связанными только по топливу - синтез-газу. Из уравнений материального баланса для реагирующих сред с учетом "замораживания" реакции водяного газа CO+H₂O CO₂+H₂ за ТХК при температурах ниже 1500 К находят представленные в таблице материального баланса мольные соотношения основных компонент в схеме фиг. 1. Эти данные были использованы для расчета термического КПД ТХК МГД-установки, реализующей предлагаемый способ, для следующих условий: первичное топливо - малосернистый высушенный уголь; КПД паротурбинной установки - 40% , КПД парогазовой - 48% ; относительные потери тепла в стенки камеры сгорания - 3% ее тепловой мощности, в стенки МГД-канала - 10% от уровня его электрической мощности (эти параметры обеспечиваются на уровне расхода рабочего тела в МГД-канале выше 200 кг/с); это низкопотенциальное (до 140^оС) тепло расходуется в системе отделения CO₂(11 ккал/моль CO₂), где также могло бы быть использовано низкопотенциальное тепло из контуров ПТУ и ГТУ. затраты энергии на производство кислорода приняты 0,4 КВт ч/нм³ (7,7 ккал(моль). Результаты расчетов, которые представлены на фиг. 2, показывают, что производство избыточного в сравнении с потребляемым в МГД-цикле синтез-газа для парогазовой установки повышает тепловую эффективность ТХК МГД-установки (ее КПД), особенно при умеренных значениях коэффициента преобразования энтальпии η_N в МГД-генераторе, в частности, более чем на 3% (абсолютных) при изменении x от 0,15 до 0,5 при η_N = 0,25. Значительный выигрыш по эффективности достигается при этом также за счет увеличения начальной энтальпии рабочего тела МГДГ, что приводит к уменьшению габаритов и стоимости МГД-канала и его магнитной системы за счет уменьшения работы вывода (отделения) CO₂ и сокращение габаритов и стоимости системы вывода. (56) Авторское свидетельство СССР N 303344, кл. H 02 K 44/00, 1978. Патент США N 3467842, кл. H 02 K 44/00, 1971.

Формула изобретения

СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ, включающий производство электроэнергии в бинарном МГД паротурбинном цикле за счет сжигания синтез-газа в камере сгорания МГД-генератора, и получение синтез-газа посредством эндотермических реакций конверсии первичного углеводородного топлива - угля с продуктами сгорания МГД-цикла при их смешении за МГД-генератором в термохимическом конверторе с последующим выделением синтез-газа из газовой смеси в низкотемпературной части цикла после прохождения продуктов конверсии через парогенератор и фильтр очистки от шлака и присадки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности способа путем увеличения КПД преобразования энергии, снижения потерь присадки и уменьшения габаритов и стоимости оборудования, в качестве окислителя в МГД-генераторе используют кислород, первичное топливо смешивают в конверторе с полным потоком продуктов сгорания из МГД-генератора, при этом топливо в конвертор вводят в количестве, необходимом для получения избыточного по сравнению с используемым для МГД-генератора количеством синтез-газа, избыточный синтез-газ направляют в газотурбинную установку, а для паротурбинной установки пар получают из потока, генерируемого с помощью выхлопных газов газовой турбины, и первичного потока, генерируемого теплом продуктов конверсии, затем потоки пара смешивают при одинаковых температурах и далее нагревают с помощью продуктов конверсии, причем шлак, отделяемый от продуктов конверсии в парогенераторе за конвертором и в фильтрах, направляют в блок отмывки присадки, а затем вводят в поток продуктов сгорания на участке между МГД-генератором и конвертором, где его повторно нагревают до температуры выше 2200 К и затем выводят из цикла.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2002

Извещение опубликовано: 10.04.2002        

---