Система и способ получения заменителя природного газа

Изобретение относится к системе, включающей: систему получения заменителя природного газа (ЗПГ), включающую: газификатор для производства синтез-газа, радиационный охладитель синтез-газа (РОС) для охлаждения синтез-газа посредством передачи тепла от синтез-газа текучей среде в пути потока, где РОС имеет длину от приблизительно 21,3 м (70 футов) до приблизительно 30,5 м (100 футов), и устройство метанирования для производства ЗПГ из синтез-газа. При этом путь потока текучей среды выходит из РОС и проходит через устройство метанирования, где создаваемое давление и температура текучей среды в пути потока текучей среды основаны на количестве тепла, подлежащего передаче от устройства метанирования текучей среде в пути потока текучей среды при прохождении текучей среды через устройство метанирования, причем текучая среда включает воду, поступающую из паровой турбины по второму пути потока среды между паровой турбиной и РОС, и устройство метанирования включает теплообменник, и устройство метанирования расположено во втором пути потока среды между паровой турбиной и РОС. Использование настоящего изобретения позволяет более эффективно производить энергию. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Область техники и уровень техники

Описанный здесь объект изобретения относится к производству заменителя природного газа и производству энергии.

Электростанции способны относительно эффективно производить энергию из различного углеводородного сырья, такого как уголь. Можно использовать технологию преобразования углеводородного сырья в газовую смесь, в основном состоящую из моноксида углерода (СО) и водорода (Hz), т.е. синтез-газ, с помощью реакции с кислородом и паром в газификаторе. Эти газы можно обрабатывать, перерабатывать и использовать в качестве топлива в обычной электростанции комбинированного цикла. Например, синтез-газ можно транспортировать на электростанцию, где используют синтез-газ в качестве топлива для снабжения энергией газовой турбины для производства электричества. Альтернативно, синтез-газ можно преобразовать в заменитель природного газа (ЗПГ) до поставки в газовую турбину электростанции комбинированного цикла на природном газе (КЦПГ). Производство ЗПГ из синтез-газа является сложной задачей с множеством стадий и конверсионных установок, которые могут быть дорогостоящими при сооружении и/или обслуживании.

Описание изобретения

Ниже кратко изложены некоторые воплощения, попадающие в область защиты изобретения. Эти воплощения не предполагают ограничения области защиты изобретения, а предназначены только для того, чтобы обеспечить краткое описание возможных форм изобретения. Более того, изобретение может заключать в себе множество форм, которые могут быть похожими на изложенные ниже воплощения или отличаться от них.

В первом воплощении система включает систему получения заменителя природного газа (ЗПГ), включающую газификатор для производства синтез-газа, радиационный охладитель синтез-газа (РОС) для охлаждения синтез-газа, где РОС имеет длину от приблизительно 21,35 м (70 футов) до приблизительно 30.5 м (100 футов), устройство метанирования для производства ЗПГ из синтез-газа, и путь потока среды из РОС через устройство метанирования, где создаваемое давление и температура текучей среды в пути потока среды основаны на количестве тепла, подлежащего передаче текучей среде в пути потока среды при прохождении текучей среды через устройство метанирования.

Во втором воплощении система включает радиационный охладитель синтез-газа (РОС), включающий охлаждающие трубы для транспортировки текучей среды, где РОС обладает такой поверхностью теплообмена, что РОС создает давление и температуру текучей среды, выходящей из РОС, на уровне, обеспечивающем перегрев текучей среды до приблизительно от 400°С до 455°С (от 750°F до 850°F), и где поверхность теплообмена определяют, исходя из количества тепла, подлежащего передаче текучей среде при прохождении текучей среды через теплообменник в первом пути потока среды, внешнем по отношению к РОС.

В третьем воплощении система включает систему получения заменителя природного газа (ЗПГ), включающую радиационный охладитель синтез-газа (РОС) для охлаждения синтез-газа; первый путь потока среды для транспортировки воды и синтез-газа из РОС в реактор конверсии водяного газа, где реактор конверсии водяного газа сконструирован с обеспечением регулирования отношения водорода к моноксиду углерода в синтез-газе для производства синтез-газа, подвергнутого реакции сдвига водяного газа; устройство метанирования для производства ЗПГ из синтез-газа, подвергнутого реакции сдвига водяного газа, и второй путь потока среды для транспортировки текучей среды из РОС в устройство метанирования, где давление и температура текучей среды во втором пути потока среды основаны на количестве тепла, подлежащего передаче текучей среде во втором пути потока среды при прохождении текучей среды через устройство метанирования.

Краткое описание чертежей

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения становятся более понятными при рассмотрении нижеследующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, в которых одинаковые обозначения представляют одинаковые детали во всех чертежах, где:

Фиг.1 представляет собой блок-схему воплощения системы получения заменителя природного газа (ЗПГ),

Фиг.2 представляет собой вид сбоку в сечении воплощения радиационного охладителя синтез-газа по Фиг.1,

Фиг.3 представляет собой блок-схему, показывающую регулирование количества жидкости, подаваемой в реактор конверсии водяного газа Фиг.1, и

Фиг.4 представляет собой блок-схему воплощения системы перегрева текучей среды для системы получения ЗПГ Фиг.1.

Подробное описание изобретения

Ниже описаны одно или более конкретных воплощений настоящего изобретения. При попытке обеспечения краткого описания этих воплощений все признаки фактической реализации могут быть не отражены в данном описании. Необходимо понимать, что при разработке любой такой фактической реализации, как в любом инженерном или конструкторском проекте, необходимо принять множество конкретных для данной реализации решений для достижения конкретных целей разработчиков, таких как соответствие ограничениям, связанным с системой и производством, которые могут меняться от одной реализации к другой. Более того, необходимо понимать, что такая опытно-конструкторская разработка может быть сложной и затратной по времени, но тем не менее будет являться типовой задачей конструирования, производства и изготовления для обычного специалиста, использующего преимущества этого описания.

При представлении элементов различных воплощений настоящего изобретения, единственное число и прилагательное «указанный» означают, что существует один или более элементов. Термины «содержащий», «включающий» и «имеющий» не являются ограничительными и означают, что могут существовать дополнительные элементы помимо перечисленных элементов.

Настоящее описание направлено на систему получения и способы производства заменителя природного газа (ЗПГ) из синтез-газа. ЗПГ может представлять собой газ, содержащий в основном метан, который можно получить из топлива, такого как уголь или биомасса. Система получения для производства ЗПГ может включать радиационный охладитель синтез-газа (РОС), который функционирует в сочетании с устройством метанирования и охлаждения газа для перегрева пара, подаваемого в паровую турбину. Производство ЗПГ из синтез-газа в устройстве метанирования и охлаждения газа является экзотермической реакцией, которую можно приспособить для перегрева воды для производства пара, который можно использовать с помощью паровой турбины для производства энергии. Подлежащую перегреву воду можно получить с помощью устройства метанирования и охлаждения газа из РОС, где воду используют для охлаждения неочищенного синтез-газа в РОС. Температуру и давление воды, используемой для охлаждения неочищенного синтез-газа в РОС, можно выбирать, исходя из поверхности теплообмена (такой как площадь поверхности, по которой вода может взаимодействовать с синтез-газом). Эта поверхность теплообмена может, например, быть связана с длиной, длиной окружности или другим размером РОС и, таким образом, с длиной и/или количеством охлаждающих труб внутри РОС, которые действуют как теплообменник с синтез-газом в РОС. К тому же поверхность теплообмена РОС можно выбирать, исходя из ожидаемого количества тепла, подлежащего передаче воде при ее прохождении через блок метанирования устройства метанирования и охлаждения газа. Следовательно, существующее оборудование, такое как РОС, можно использовать для предварительного нагрева воды, подлежащей перегреву для использования в паровой турбине, без потребности в дополнительном оборудовании для теплообмена.

Дополнительно, РОС может поставлять синтез-газ и воду в реактор конверсии водяного пара для регулировки отношения водорода к моноксиду углерода в синтез-газе. Отношение воды и синтез-газа может изменяться в течение срока службы РОС. Соответственно дополнительное количество воды можно подавать в реактор конверсии водяного газа для поддержания относительно постоянного отношения воды (например, пара) к сухому газу в синтез-газе и воде, подаваемых из РОС в реактор конверсии водяного газа. Можно обеспечить регулятор для поддержания отношения воды (например, пара) к сухому газу и посредством регулятора можно регулировать количество дополнительной воды, подаваемой в реактор конверсии водяного газа с помощью регулировки открытия и закрытия клапана. Регулятор может управлять клапаном на основе измерений, сделанных датчиком, касающихся уровня обрастания, возникающего в РОС, особенно уровня обрастания, возникающего на охлаждающих трубах в РОС.

На Фиг.1 показана система 100 получения заменителя природного газа (ЗПГ). Элементы системы 100 получения ЗПГ могут включать источник 102 топлива, такой как твердое сырье, которое можно использовать как источник энергии для получения ЗПГ. Источник 102 топлива может включать уголь, нефтяной кокс, биомассу, древесные материалы, сельскохозяйственные отходы, вязкие остаточные нефтепродукты, коксовый газ и асфальт, или другие углеродсодержащие продукты. Твердое топливо источника 102 топлива может поступать в систему 104 газификации и очистки сырья. Система 104 газификации и очистки сырья может включать несколько подсистем. Например, система 104 газификации и очистки сырья может включать подсистему подготовки сырья, в которой можно, например, изменять размер или форму источника 102 топлива с помощью дробления, перемалывания, резания, измельчения в порошок, брикетирования или укладки в штабеля источника 102 топлива для создания сырья. Помимо этого воду или другие подходящие жидкости можно добавлять к источнику 102 топлива в подсистеме подготовки сырья для создания суспензии сырья. В других воплощениях никакой жидкости не добавляют к источнику топлива в подсистеме подготовки сырья, получая таким образом сухое сырье.

Сырье может поступать в подсистему газификации системы 104 газификации и очистки сырья из подсистемы подготовки сырья. В подсистеме газификации можно преобразовывать сырье в сочетании моноксида углерода и водорода, например синтез-газ. Эту конверсию можно выполнять, подвергая сырье воздействию регулируемого количества пара и кислорода при повышенных давлениях, например, от приблизительно 2 МПа (20 бар) до приблизительно 8,5 МПа (85 бар), и температурах, например, от приблизительно 700°С (1300°F) до приблизительно 1590°С (2900°F), в зависимости от типа газификатора, используемого в подсистеме газификации. Способ газификации также может включать обработку сырья с помощью процесса пиролиза, при котором сырье нагревают. Температуры внутри газификатора подсистемы газификации могут составлять от приблизительно 150°С (300°F) до приблизительно 700°С (1300°F) в течение процесса пиролиза, в зависимости от источника 102 топлива, используемого для создания сырья. При нагревании сырья в течение процесса пиролиза может образовываться твердое вещество, например обуглившееся вещество, и остаточные газы, например моноксид углерода, водород и азот. Обуглившееся вещество, остающееся от сырья в процессе пиролиза, можно составлять только до приблизительно 30% от массы первоначального сырья.

В подсистеме газификации затем может протекать процесс сжигания. Для обеспечения этого процесса сжигания можно подавать кислород 103 в подсистему газификации из устройства 106 разделения воздуха (УРВ). УРВ 106 может обеспечивать разделение воздуха 105 на составляющие его газы с помощью, например, технологий разгонки, которые могут быть криогенными, или можно использовать адсорбцию с перепадом давления (АПД). В УРВ 106 можно отделять кислород 103 от подаваемого в нее воздуха и можно перемещать отделенный кислород 103 в подсистему газификации. Помимо этого в УРВ 106 можно отделять азот 107 от воздуха 105, например, для сбора или для последующего использования в производстве энергии.

Соответственно отделенный от воздуха 105 кислород 103 поступает в подсистему газификации из УРВ 106 для проведения сжигания. Сжигание может включать введение кислорода 103 в обуглившееся вещество и остаточные газы так, что обуглившееся вещество и остаточные газы могут реагировать с кислородом 103 с образованием диоксида углерода и моноксида углерода, обеспечивая, таким образом, тепло для последующих реакций газификации. Температуры в течение способа сжигания могут составлять от приблизительно 700°С (1300°F) до приблизительно 1590°С (2900°F). Затем можно ввести пар в подсистему газификации системы 104 газификации и очистки сырья в течение стадии газификации. Обуглившееся вещество может реагировать с диоксидом углерода и паром с получением моноксида углерода и водорода при температуре от приблизительно 815°С (1500°F) до приблизительно 1590°С (2900°F). По существу, в газификаторе подсистемы газификации используют пар и кислород для обеспечения сгорания части сырья с получением диоксида углерода и энергии, таким образом продвигая основную реакцию, в которой далее преобразуют сырье в водород и дополнительное количество моноксида углерода.

Таким образом, с помощью газификатора подсистемы газификации производят суммарный газ. Этот суммарный газ может включать приблизительно 85% моноксида углерода и водорода, а также CH₄, NH₃, COS, CO₂ и H₂S (в зависимости от содержания серы в сырье). Этот суммарный газ можно назвать неочищенным или необработанным синтез-газом. Подсистема газификации также может производить отходы, такие как шлак 108, который может быть влажным зольным материалом.

Этот шлак 108 можно удалять из подсистемы газификации с помощью подсистемы очистки системы 104 газификации и очистки сырья. Шлак 108 можно утилизировать, например, как дорожное основание или как другой строительный материал. Помимо этого в подсистеме очистки можно обработать неочищенный синтез-газ, удаляя любое вещество в виде частиц, такое как влажная зола, из неочищенного синтез-газа.

Неочищенный синтез-газ можно затем пропускать в реактор 110 конверсии водяного газа через канал 111. В реакторе 110 конверсии водяного газа можно выполнять реакцию сдвига водяного газа, в которой моноксид углерода реагирует с водой (например, паром) с образованием диоксида углерода и водорода. В этом процессе можно доводить отношение водорода к моноксиду углерода от приблизительно 1:1 в неочищенном синтез-газе до отношения водорода к моноксиду углерода приблизительно 3:1 в синтез-газе, подвергнутом реакции сдвига водяного газа, для процесса метанирования. Необходимо заметить, что реактор 110 конверсии водяного газа может представлять собой реактор кислой конверсии водяного газа, т.е. сера может присутствовать в неочищенном синтез-газе, подаваемом в реактор 110 конверсии водяного газа в течение реакции сдвига водяного газа.

После реакции сдвига водяного газа в реакторе 110 конверсии водяного газа в системе 100 можно транспортировать неочищенный синтез-газ, подвергнутый реакции сдвига водяного газа, по каналу 112 в устройство 114 обработки газа. Устройство 114 обработки газа может обеспечивать мокрую очистку неочищенного синтез-газа, подвергнутого реакции сдвига водяного газа (например, синтез-газа, поступающего из реактора 110 конверсии водяного газа и содержащего серу), для удаления нежелательных элементов, например, COS и H₂S, из неочищенного синтез-газа, подвергнутого реакции сдвига водяного газа, для производства очищенного синтез-газа (например, синтез-газа, не содержащего серы). Дополнительно, устройство 114 обработки газа может подавать нежелательные элементы неочищенного синтез-газа, подвергнутого реакции сдвига водяного газа (например, COS и H₂S), в устройство 116 извлечения серы и обработки хвостового газа для отделения и изолирования серы 118. Таким образом, серу 118 можно удалять для утилизации или для продажи.

Для дополнительного содействия удалению кислого газа (например, H₂S) в устройстве 114 обработки газа часть (например, 10%, 20%, 30%, 40%, 50% или более) неочищенного синтез-газа, подвергнутого реакции сдвига водяного газа, можно подавать в аммиачный холодильник 113. Аммиачный холодильник 113 может действовать, например, как теплообменник. В одном воплощении аммиачный холодильник 113 может, например, включать испаритель, генератор, абсорбер и конденсатор. Испаритель можно поддерживать при низком давлении, например вакууме. Низкое давление в испарителе может вызывать кипение охлаждающего агента, такого как NH₃ (аммиак), при очень низкой температуре. Испаритель может включать теплообменник для теплообмена с неочищенным синтез-газом, подвергнутым реакции сдвига водяного газа, добавляющим тепло в охлаждающий агент в испарителе. Испаритель также может забирать тепло из окружающей испаритель среды. Из-за этой передачи тепла охлаждающий агент может преобразоваться в пар, который может протекать в абсорбер. Абсорбер может объединять пар охлаждающего агента с водой. Например, в абсорбере охлаждается и конденсируется пар охлаждающего агента в воду посредством теплообменника, в котором циркулирует охладитель (например, вода). Воду, обогащенную охлаждающим агентом, затем можно откачать посредством абсорбционного насоса в генератор.

В генераторе тепло можно передать воде, обогащенной охлаждающим агентом, с помощью внешнего источника тепла, такого как горячая вода или пар. Тепло от горячей воды или пара может привести к выпариванию охлаждающего агента из обогащенной им воды с образованием пара охлаждающего агента. Пар охлаждающего агента из генератора можно перемещать в конденсатор, в котором пар охлаждающего агента можно преобразовать в жидкость путем теплообмена с охладителем, таким как вода. Охлажденный охлаждающий агент затем можно возвращать в испаритель с низким давлением, где его можно использовать для удаления тепла для получения охлажденного неочищенного синтез-газа, подвергнутого реакции сдвига водяного газа, таким образом завершая термодинамический цикл. Охлажденный неочищенный синтез-газ, подвергнутый реакции сдвига водяного газа, можно повторно ввести в неочищенный синтез-газ, подвергнутый реакции сдвига водяного газа, через канал 115, через который можно ввести охлажденный неочищенный синтез-газ, подвергнутый реакции сдвига водяного газа, в неочищенный синтез-газ, подвергнутый реакции сдвига водяного газа, протекающий через канал 112. Дополнительно или альтернативно, охлажденный неочищенный синтез-газ, подвергнутый реакции сдвига водяного газа, можно ввести непосредственно в устройство 114 обработки газа через канал 117.

Очищенный синтез-газ из устройства 114 обработки газа может включать приблизительно 3% СО, приблизительно 55% Н₂ и приблизительно 40% CO₂, и из него по существу удален H₂S. Устройство 114 обработки газа может дополнительно включать подсистему удаления CO₂, в которой можно удалить CO₂ 119 из очищенного синтез-газа. Удаленный CO₂ 119 можно транспортировать из устройства 114 обработки газа в устройство 120 обезвоживания и сжатия СО₂, в котором можно обезвоживать и сжимать CO₂ 119 для хранения и последующего использования. Например, CO₂ 119 можно направить через трубопровод, ведущий в место секвестрации углерода, такое как места добычи нефти вторичными методами (ДНВМ) или в засоленные водоносные горизонты. Альтернативно, из устройства 120 обезвоживания и сжатия СО₂ можно транспортировать обезвоженный и сжатый CO₂ 119, например, на химический завод для использования.

Из устройства 114 обработки газа можно напрямую или не напрямую подавать очищенный синтез-газ по каналу 121 в устройство 122 метанирования и охлаждения газа. В одном воплощении канал 121 может проходить через теплообменник в реакторе 110 конверсии водяного газа, чтобы нагревать очищенный синтез-газ до подачи его в устройство 122 метанирования и охлаждения газа. В устройстве 122 метанирования и охлаждения газа можно преобразовать СО и Н₂ в очищенном синтез-газе в СН₄ и H₂O, т.е. в метан (например, ЗПГ 123) и воду путем экзотермической реакции. Соответственно устройство 122 метанирования и охлаждения газа может включать реактор 125 метанирования, который можно эксплуатировать для получения ЗПГ 123 и воды, а также в качестве теплообменника, который использует охладитель (например, воду) для охлаждения получаемого ЗПГ 123. При этом теплообмене можно получить пар, который из устройства 122 метанирования и охлаждения газа передают в паровую турбину 124 для производства энергии 126. Энергию 126 можно использовать, например, в различных производственных установках или передавать в электроэнергетическую систему для последующего использования. Следует отметить, что устройство 122 метанирования и охлаждения газа может включать реактор получения десульфированного метана, который использует очищенный синтез-газ (например, сера была удалена из синтез-газа) до того, как синтез-газ преобразовали в ЗПГ 123 и воду.

Из устройства 122 метанирования и охлаждения газа можно транспортировать полученные ЗПГ 123 и воду в устройство 128 обезвоживания и сжатия ЗПГ. В этом устройстве 128 обезвоживания и сжатия ЗПГ можно отделять воду от ЗПГ 123, так что ЗПГ 123 можно сжимать и направлять из устройства 128 обезвоживания и сжатия ЗПГ, например, в трубопровод ЗПГ. Трубопровод ЗПГ можно использовать для транспортировки ЗПГ 123, например, в хранилища или в дополнительные устройства обработки ЗПГ. В одном воплощении элементы системы 104 газификации и очистки сырья могут соответствовать режимам работы устройства 122 метанирования и охлаждения газа, как описано более подробно ниже.

Система 104 газификации и очистки сырья может включать радиационный охладитель синтез-газа как часть подсистемы очистки. Фиг.2 представляет собой вид сбоку в сечении воплощения радиационного охладителя 130 синтез-газа (РОС) для использования с системой 104 газификации и очистки сырья по Фиг.1. Различные аспекты РОС 130 можно описать по отношению к продольному направлению или оси 131, радиальному направлению или оси 132 и направлению по окружности или оси 133. Например, ось 131 соответствует продольной центральной линии или направлению по длине, ось 132 соответствует поперечному или радиальному направлению относительно продольной центральной линии и ось 133 соответствует направлению по окружности вокруг продольной центральной линии. Синтез-газ наряду с отходами, такими как шлак 108, можно получить в газификаторе (т.е. в подсистеме газификации) системы 104 газификации и очистки сырья. Этот шлак 108 можно удалить до подачи сырого синтез-газа в реактор 110 конверсии водяного газа. РОС 130 может быть полезным для отделения шлака 108 от синтез-газа. Помимо этого он может быть полезным для охлаждения синтез-газа до подачи его в реактор 110 конверсии водяного газа через РОС 130.

РОС 130 также может включать сосуд 134. Сосуд 134 может служить в качестве корпуса для РОС 130, заключая в себе как верхнюю область 136 РОС 130, так и нижнюю область 138 РОС 130. Сосуд 134 также может заключать в себе охлаждающие трубы 140, которые могут находиться в верхней области 136 РОС 130. Охлаждающие трубы 140 могут включать множество труб вдоль радиальной оси 132 РОС 130, а также могут идти параллельно в направлении сосуда 134 относительно продольной оси 131. Охладитель, такой как вода или другая жидкость, может протекать через трубы 140. Таким образом, трубы 140 могут действовать как теплообменник внутри РОС 130 и в них может циркулировать охладитель для удаления тепла из синтез-газа и шлака 108. Синтез-газ, произведенный в газификаторе 142, может обычно протекать вниз параллельно трубам 140, как показано стрелками 144. Газификатор 142 может, например, включать вход из источника 102 топлива по каналу 135, а также вход для кислорода, например, из УРВ 106. В одном воплощении топливо, подаваемое из источника топлива по каналу 135, можно смешивать с кислородом и сжигать, например, в зоне 139 горения в газификаторе 142 для производства синтез-газа. Помимо этого, в некоторых воплощениях часть топлива можно добавлять по вторичному каналу 137 в зону 139 горения газификатора 142. В одном воплощении от приблизительно 5% до приблизительно 20% топлива, направляемого в газификатор 142, можно отводить по каналу 137 для регулировки количества метана в синтез-газе, производимом газификатором 142.

Произведенный синтез-газ (наряду с любым топливом, добавленным по каналу 137) может входить в контакт с трубами 140 РОС 130, с охладителем, протекающим через трубы 140, посредством чего синтез-газ охлаждается по мере его прохождения через РОС 130. Одним из результатов этого процесса охлаждения может быть образование пара в трубах 140, который затем можно транспортировать из РОС 130, как будет обсуждено далее в связи с Фиг.1.

РОС 130 также может включать трубу 146 в нижней области 138 РОС 130, которая может способствовать направлению охлажденного синтез-газа и шлака 108 из РОС 130. Например, при выходе шлака 108 из трубы 146 шлак 108 может протекать в основном в нисходящем направлении 148, чтобы выходить из РОС 130 через конус 150 быстрого охлаждения, содержащий воду для охлаждения шлака 108. Наоборот, охлажденный синтез-газ может протекать в основном в восходящем направлении 152 к транспортному трубопроводу 154, по мере выхода синтез-газа из трубы 146. Охлажденный синтез-газ может в некоторых воплощениях взаимодействовать с водой в конусе 150 быстрого охлаждения так, что можно переносить в охлажденный синтез-газ пар в соотношении приблизительно от 1,0:1 до 1,4:1. Транспортный трубопровод 154 можно использовать для переноса синтез-газа в реактор 110 конверсии водяного газа через канал 111. Дополнительное описание в связи с охлаждением синтез-газа в РОС 130 приведено ниже.

Горячий синтез-газ и шлак могут выходить из газификатора 106 через верхнюю область 136 РОС 130. При движении вниз горячего синтез-газа и шлака 108 через РОС 130 шлак 108 может опускаться достаточно равномерно, например, вдоль оси 131 вниз 144 через РОС 130. Напротив, синтез-газ, так как он находится в газообразном состоянии, может вначале протекать вдоль оси 131 через РОС 130, однако синтез-газ может распространяться радиально по направлению оси 132 по сосуду 134 наряду с движением вдоль оси 131 вниз 144 через РОС 130. Таким образом, синтез-газ при протекании через РОС 130 может взаимодействовать с охлаждающими трубами 140, которые могут включать множество труб, которые могут идти продольно по направлению оси 131 параллельно сосуду 134. Дополнительно, охладитель, такой как вода, может протекать через охлаждающие трубы 140. Эту воду можно, например, подавать с помощью паровой турбины 124, как обсуждают более подробно в связи с Фиг.1. Этот охладитель (например, вода) вытекает, таким образом, из охлаждающих труб 140 из РОС 130 и может быть перемещен в виде пара высокого давления, как описано более подробно в связи с Фиг.1.

Охладитель, проходящий через охлаждающие трубы 140, может быть, например, котловой питательной водой из паровой турбины 124. Вода может быть нагрета, например, до приблизительно 333°С (630°F). В другом воплощении температура воды может составлять от приблизительно 232°С (450°F) до приблизительно 354°С (670°F), от приблизительно 204°С (400°F) до приблизительно 400°С (750°F), от приблизительно 260°С (500°F) до приблизительно 343°С (650°F) или выше, как предписывают технологические потребности способа. Напротив, синтез-газ, проходящий через РОС 130, можно охладить от приблизительно 1370°С (2500°F) до приблизительно 650°С (1200°F) при взаимодействии синтез-газа с охлаждающими трубами 140. То есть при взаимодействии нагретого синтез-газа с охлаждающими трубами 140 он может передавать тепло как текучей среде внутри охлаждающих труб 140, так и самим охлаждающим трубам 140, таким образом, это обеспечивает охлаждение синтез-газа при создании источника пара, который можно использовать, например, в паровой турбине 124.

В одном воплощении длину 156 РОС 130 и, таким образом, труб 140 в нем можно определить, основываясь на требованиях системы 100 получения ЗПГ. Длина 156 РОС 130 может составлять, например, от приблизительно 21,3 м (70 футов) до приблизительно 30,5 м (100 футов). В другом примере длина 156 РОС 130 может составлять приблизительно 21,3 м (70 футов), 24,4 м (80 футов), 27,4 м (90 футов) или 30,5 м (100 футов). Длина 156 РОС 130 может влиять на длину 158 труб 140 и, таким образом, на количество тепла, передаваемого синтез-газом воде, проходящей через трубы 140. Количество тепла, передаваемое воде в трубах 140, может изменять температуру и давление воды, выходящей из РОС 130. Например, длину 156 РОС 130 можно выбрать так, чтобы вода, выходящая из РОС 130, имела температуру от приблизительно 290°С (550°F) до приблизительно 370°С (700°F) при давлении от приблизительно 6,9 МПа (1000 фунтов на кв. дюйм) до приблизительно 8,3 МПа (1200 фунтов на кв. дюйм). Как выходное давление, так и выходную температуру воды, выходящей из РОС 130 через трубы 140, можно подобрать так, чтобы вода, выходящая из РОС 130, имела требуемые давление и температуру для обеспечения, например, перегрева в реакторе 125 метанирования устройства 122 метанирования и охлаждения газа. То есть создаваемые давление и температура воды, выходящей из РОС 130 через трубы 140, могут основываться на количестве тепла, подлежащего передаче воде в пути потока среды при ее прохождении через реактор 125 метанирования в блоке метанирования устройства 122 метанирования и охлаждения газа. Необходимо заметить, что, хотя в приведенном выше примере обсуждали регулирование длины 156 РОС 130 и/или труб 140, в других воплощениях можно регулировать другие факторы, связанные с размером РОС, такие как длина его окружности, чтобы подобрать общую поверхность теплообмена для РОС 130.

Более того, воду, которую можно использовать в качестве охлаждающей текучей среды в трубах 140, можно предварительно нагревать. Возвращаясь к Фиг.1, паровая турбина 124 может включать котловую питательную воду, используемую, например, при производстве пара. Эту котловую питательную воду также можно использовать в качестве источника охлаждающей текучей среды, используемой в трубах 140 РОС 130. Например, из паровой турбины 124 можно транспортировать котловую питательную воду по каналу 160 в устройство 122 метанирования и охлаждения газа. Котловая питательная вода, транспортируемая по каналу 160 в устройство 122 метанирования и охлаждения газа, может иметь температуру приблизительно 120°С (250°F) или от приблизительно 107°С (225°F) до приблизительно 132°С (270°F). После поступления в устройство 122 метанирования и охлаждения газа котловая питательная вода может проходить через теплообменник в устройстве 122 метанирования и охлаждения газа (например, такой как реактор 125 метанирования или отдельный теплообменник), посредством чего тепло передается воде. Соответственно вода, выходящая из устройства 122 метанирования и охлаждения газа по каналу 162, может иметь температуру приблизительно 150°С (300°F) или от приблизительно 135°С (275°F) до приблизительно 163°С (325°F).

Воду из канала 162 можно транспортировать в другой теплообменник 163, например, расположенный в реакторе 110 конверсии водяного газа, для поглощения еще большего количества тепла. Например, вода, протекающая по каналу 162, может иметь температуру приблизительно 150°С (300°F) или от приблизительно 135°С (275°F) до приблизительно 163°С (325°F). После поступления воды в теплообменник 163 в реакторе 110 конверсии водяного газа ее температура может возрасти, например, до приблизительно 260°С (500°F) или от приблизительно 230°С (450°F) до приблизительно 290°С (550°F). Воду с температурой приблизительно 260°С (500°F) или от приблизительно 230°С (450°F) до приблизительно 290°С (550°F) можно транспортировать по каналу 164 в РОС 130 для действия в качестве охлаждающей жидкости в РОС 130, при этом она может проходить, например, через охлаждающие трубы 140, как описывалось ранее. Вода затем может выходить из РОС 130 по каналу 166 при температуре от приблизительно 290°С (550°F) до приблизительно 370°С (700°F) и при давлении от приблизительно 6,9 МПа (1000 фунтов на кв. дюйм) до приблизительно 8,3 МПа (1200 фунтов на кв. дюйм). Эту воду по каналу 166 можно транспортировать в один или более реакторов 125 метанирования в устройстве 122 метанирования и охлаждения газа, которые могут действовать как теплообменники. То есть вода, транспортируемая по каналу 166 в один или более реакторов 125 метанирования, может подвергаться перегреву в одном или более реакторов 125 метанирования и она может выходить из устройства 122 метанирования и охлаждения газа в виде пара высокого давления при давлении от приблизительно 8,3 МПа (1200 фунтов на кв. дюйм) до приблизительно 10,35 МПа (1500 фунтов на кв. дюйм) и при температуре от приблизительно 400°С (750°F) до приблизительно 510°С (950°F), и ее можно транспортировать по каналу 168 в паровую турбину 124 для использования в производстве энергии 126. Температуру на выходе воды, протекающей по каналу 168, можно определить, исходя из длины 156 РОС 130 (т.е. она определяет давление и температуру воды по каналу 166, подлежащей перегреву в одном или более реакторов 125 метанирования). В одном воплощении воду с низким давлением от приблизительно 345 кПа (50 фунтов на кв. дюйм) до приблизительно 690 кПа (100 фунтов на кв. дюйм) и с температурой от приблизительно 260°С (500°F) до приблизительно 316°С (600°F) также можно транспортировать в один или более реакторов 125 метанирования в устройстве 122 метанирования и охлаждения газа по каналу 170. Эту воду с низким давлением, протекающую по каналу 170, также можно перегреть в одном или более реакторов 125 метанирования для производства пара низкого давления с температурой от приблизительно 400°С (700°F) до приблизительно 510°С (950°F), который можно транспортировать по каналу 172 в паровую турбину 124 для использования в производстве энергии 126.

Снова ссылаясь на Фиг.2, когда синтез-газ проходит через сосуд 134 РОС 130, синтез-газ может нести остаток от процесса газификации, такой как зола. Этот остаток может постепенно осаждаться на охлаждающих трубах 140. Эти отложения на охлаждающих трубах 140 могут со временем приводить к «обрастанию» охлаждающих труб 140. То есть материалы, осажденные на охлаждающих трубах 140, могут приводить к нарастанию пленки на внешних поверхностях охлаждающих труб 140. Эти осаждения могут вызвать возрастание отношения пара к сухому газу в РОС 130. То есть обрастание может изменить охлаждение синтез-газа таким образом, что при контакте синтез-газа с водой в конусе 150 быстрого охлаждения может быть произведено большее количество пара, увеличивающее отношение пара к сухому газу, составлявшее от приблизительно 0,8:1 до приблизительно 0,9:1 в начале рабочего цикла РОС 130, до величин от приблизительно 1,0:1 до приблизительно 1,4:1 в конце рабочего цикла РОС 130. Для того, чтобы выровнять это отношение пара к сухому газу так, чтобы оно стабильно находилось в интервале от приблизительно 0,9:1 до приблизительно 1,4:1 для всего срока службы РОС 130, воду, выходящую из труб 140 РОС 130 по каналу 166, можно отводить для добавления в неочищенный синтез-газ, транспортируемый по каналу 111 в реактор 110 конверсии водяного газа.

Как показано на Фиг.1, канал 174 можно отвести от канала 166 так, чтобы воду можно было передавать в реактор 110 конверсии водяного газа, например, через канал 111 для увеличения при необходимости отношения пара к сухому газу в реакторе 110 конверсии водяного газа. Количество воды, транспортируемой по каналу 174, можно регулировать, например, посредством клапана 176. Этот клапан 176 можно открывать и закрывать для изменения количества воды, которое подают в реактор 110 конверсии водяного газа. Регулятор 178 может действовать для регулирования открытия и закрытия клапана 176. Этот регулятор 178 может включать один или более микропроцессоров «общего назначения», один или более специализированных микропроцессоров и/или специализированные интегральные микросхемы (СИМС), или какое-либо сочетание таких обрабатывающих данные элементов, центральный процессор (ЦП) и/или другие типы процессоров. В одном воплощении регулятор 178 может регулировать открытие и закрытие клапана 176 на основе измерений, полученных от датчика 180, который может быть соединен с РОС 130. Этот датчик 180 может, например, определять уровень обрастания, которое возникает в РОС 130 путем измерения температуры текучей среды, проходящей, например, через трубы 140 в РОС 130 и генерировать сигналы, соответствующие измеренной температуре, используемые для определения уровня обрастания труб 140 в РОС 130. Например, при возрастании измеренной датчиком температуры общее производство пара (влияющее на ранее обсуждаемое отношение пара к сухому газу) может уменьшаться. Таким образом, клапан 176 можно открыть с помощью регулятора 178, чтобы обеспечить добавление большего количества пара в смесь воды и синтез-газа, проходящей в реактор 110 конверсии водяного газа. Дополнительно или альтернативно, датчик 180 может, например, измерять отношение пара к сухому газу в РОС 130 и генерировать сигналы на основе данных измерений, которые можно использовать с помощью регулятора 178 для регулирования открытия и закрытия клапана 176 аналогичным образом, как обсуждено выше.

Фиг.3 представляет собой блок-схему 182, иллюстрирующую способ регулирования количества жидкости, подаваемой по каналу 174 в реактор 110 конверсии водяного газа. На стадии 184 регулятор 178 может получать измерения, относящиеся к обрастанию труб 140 в РОС 130. Эти измерения могут быть получены от датчика 180 и они могут относиться, например, к температуре текучей среды, проходящей через трубы 140 в РОС 130 или к отношению пара к сухому газу в текучей среде, выходящей из РОС 130 через транспортный трубопровод 154. На основе полученных измерений, на стадии 186 регулятор 178 может определить уровень обрастания в РОС 130. Обычно обрастание труб 140 в РОС 130 минимально в начале рабочего цикла РОС 130 и возрастает с течением времени.

На стадии 188 регулятор может определить, превышает ли уровень обрастания, определенный на стадии 186, пороговое значение, например, на основе сигналов, полученных от датчика 180, которые соответствуют измерениям датчика 180. Это пороговое значение может включать один или более уровней, которые могут соответствовать тому, насколько должен быть открыт или закрыт клапан 176, таким образом регулируя количество воды, подлежащей подаче по каналу 174. Если регулятор 178 определяет, что уровень обрастания не превышает порогового значения (то есть определенный уровень), регулятор 178 может не регулировать клапан 176 и процесс можно возвратить на стадию 184. Если, однако, регулятор 178 определяет, что уровень обрастания превышает пороговое значение (то есть определенный уровень), регулятор 178 может соответственно регулировать клапан 176 на стадии 190. То есть регулятор 178 может открыть или закрыть клапан 176 до заранее определенной степени, которая может соответствовать пороговому значению, проверяемому на стадии 188. После стадии 190 процесс можно вернуть назад на стадию 184 для повторного запуска описанного выше способа. Стадии в блок-схеме 182 можно повторять по предварительно определенному графику. Например, стадии в блок-схеме 182 можно повторять ежечасно, ежедневно, еженедельно, ежемесячно или с некоторой другой частотой. Дополнительно и/или альтернативно, стадии в технологической схеме 182 можно повторять в конкретное время, выбранное пользователем. То есть пользователь может начать описанный выше способ в любое время и осуществлять его с любой частотой.

На Фиг.4 показан другой способ перегрева воды, выходящей из РОС 130, через повторное направление воды по каналу 166. Как отмечено выше, часть воды, выходящей из РОС 130, можно было отвести в канал 111 через клапан 176 и регулятор 178. Остающуюся в канале 166 потока среды воду можно направить в канал 192, и она может иметь температуру от приблизительно 290°С (550°F) до приблизительно 370°С (700°F). Некоторое количество этой воды, например, от приблизительно 5% до приблизительно 15%, можно подавать в теплообменник 194, в то время как остаток можно подавать в теплообменник 204. Теплообменник 194 может включать трубы 196, через которые неочищенный синтез-газ может проходить из канала 111. Нагревание синтез-газа может увеличивать общий кпд реактора 110 конверсии водяного газа, так как катализаторы, используемые для ускорения реакции сдвига водяного газа в реакторе 110 конверсии водяного газа, могут реагировать с нагретым синтез-газом более быстро, чем с холодным синтез-газом. Соответственно температура синтез-газа может возрастать от величины от приблизительно 150°С (300°F) до приблизительно 204°С (400°F) при выходе синтез-газа из РОС 130 до температуры от приблизительно 204°С (400°F) до приблизительно 260°С (500°F) при выходе синтез-газа из теплообменника 194.

В теплообменнике 194 синтез-газ можно подавать на распределительную пластину 198. Распределительная пластина 198 может, например, обеспечивать равномерное распределение синтез-газа по теплообменнику 194. Соответственно равномерно распределенный синтез-газ протекает от распределительной пластины 198 во внутреннюю часть труб 196 теплообменника 194 и через эти трубы. Воду из канала 192, выходящую из РОС 130, можно направить через теплообменник 194, в общем в направлении, показанном стрелкой 200, чтобы добавить теплоты синтез-газу путем нагревания труб 196 (например, путем контакта с внешней поверхностью труб 196), через которые проходит синтез-газ. Вода может выходить из теплообменника 194 по каналу 212 для перемещения в канал 160.

Теплообменник 204 работает аналогично теплообменнику 194, однако теплообменник 204 может отбирать теплоту из синтез-газа вместо поставки теплоты синтез-газу. Например, вода может поступать из канала 192 после отведения в теплообменник 204 по каналу 214. Эту воду можно передать в теплообменник 204, и она может отбирать в нем теплоту из синтез-газа.

Например, синтез-газ может выходить из реактора 110 конверсии водяного газа по каналу 112 при температуре от приблизительно 454°С (850°F) до приблизительно 510°С (950°F). Этот синтез-газ можно подавать на распределительную пластину 206. Распределительная пластина 206 может, например, обеспечить равномерное распределение синтез-газа по теплообменнику 204. Соответственно равномерно распределенный синтез-газ протекает от распределительной пластины 206 во внутреннюю часть труб 208 теплообменника 204 и через эти трубы. Воду из канала 202, выходящую из теплообменника 194, можно пропускать через теплообменник 204, в общем, в направлении, показанном стрелкой 210, чтобы отбирать теплоту из синтез-газа путем охлаждения труб 208 (например, путем контакта с внешней поверхностью труб 208), через которые проходит синтез-газ. Вода может выходить из теплообменника 194 по каналу 216 для подачи в паровую турбину 124 при температуре от приблизительно 400°С (750°F) до приблизительно 454°С (850°F), или для подачи назад в канал 166, в устройство 122 метанирования и охлаждения газа.

Таким образом, посредством использования существующего оборудования, такого как РОС 130, воду можно предварительно нагреть до такого уровня, что подвод тепла из устройства 122 метанирования и охлаждения газа в предварительно нагретую воду может привести к образованию перегретого пара для использования в паровой турбине 124. Более того, когда используют РОС 130 для предварительного нагрева воды, может быть уменьшена потребность в дополнительном оборудовании для теплообмена. Помимо этого предварительно нагретую воду можно использовать в теплообменниках 194 и 204.

В этом описании используют примеры для раскрытия изобретения, включая наилучший способ его реализации, а также для того, чтобы обеспечить возможность любому специалисту осуществить на практике данное изобретение, включая изготовление и использование любых устройств или систем и выполнение любых включенных способов. Область защиты изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые могут прийти в голову специалисту. Предполагают, что такие другие примеры включены в область защиты формулы изобретения, если они содержат структурные элементы, которые не отличаются от буквальной формулировки формулы изобретения, или если они включают эквивалентные структурные элементы с несущественными отличиями от буквальной формулировки формулы изобретения.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

100 система получения заменителя природного газа

102 источник топлива

103 кислород

104 система газификации и очистки сырья

105 воздух

106 устройство разделения воздуха

107 азот

108 шлак

110 реактор конверсии водяного газа

111 канал

112 канал

113 аммиачный холодильник

114 устройство обработки газа

115 канал

116 устройство обработки хвостового газа

117 канал

118 сера

119 CO₂

120 устройство сжатия

121 канал

122 устройство охлаждения газа

123 метан

124 паровая турбина

125 реактор метанирования

126 энергия

128 устройство обезвоживания и сжатия ЗПГ

130 радиационный охладитель синтез-газа (РОС)

131 продольная ось

132 радиальная ось

133 ось, проходящая по окружности

134 сосуд

135 канал

136 верхняя область

137 вторичный канал

139 зона горения

140 охлаждающие трубы

142 газификатор

144 стрелки

146 труба

150 конус быстрого охлаждения

152 направление вверх

154 транспортный трубопровод

156 длина

158 длина

162 канал

163 теплообменник

164 канал

166 канал

172 канал

176 клапан

178 регулятор

180 датчик

182 блок-схема

184 стадия

186 стадия

188 стадия

190 стадия

192 канал

194 теплообменник

196 трубы

198 распределительная пластина

200 стрелка

204 теплообменник

206 распределительная пластина

208 трубы

210 стрелка

212 канал

214 канал

216 канал

1. Система, включающая:
систему (100) получения заменителя природного газа (ЗПГ), включающую:
газификатор (142) для производства синтез-газа,
радиационный охладитель (130) синтез-газа (РОС) для охлаждения синтез-газа посредством передачи тепла от синтез-газа текучей среде в пути потока, где РОС 130 имеет длину от приблизительно 21,3 м (70 футов) до приблизительно 30,5 м (100 футов), и
устройство метанирования для производства ЗПГ из синтез-газа,
где путь потока текучей среды выходит из РОС и проходит через устройство метанирования, где создаваемое давление и температура текучей среды в пути потока текучей среды основаны на количестве тепла, подлежащего передаче от устройства метанирования текучей среде в пути потока текучей среды при прохождении текучей среды через устройство метанирования, причем текучая среда включает воду, поступающую из паровой турбины по второму пути потока среды между паровой турбиной и РОС, и устройство метанирования включает теплообменник, и устройство метанирования расположено во втором пути потока среды между паровой турбиной и РОС.

2. Система по п. 1, в которой устройство метанирования включает реактор (125) метанирования для производства ЗПГ из синтез-газа.

3. Система по п. 2, в которой реактор (125) метанирования включает теплообменник (163) для перегрева текучей среды в пути потока среды до температуры от приблизительно 400°C (750°F) до приблизительно 510°C (950°F).

4. Система по п. 3, в которой РОС (130) обеспечивает давление текучей среды в пути потока текучей среды от приблизительно 6,9 МПа (1000 фунтов на кв. дюйм) до приблизительно 8,3 МПа (1200 фунтов на кв. дюйм).

5. Система по п. 1, в которой в газификаторе (142) топливо поступает в зону 139 горения газификатора (142) по двум различным каналам для изменения количества метана (123) в синтез-газе, получаемом из газификатора (142).

6. Система по п. 1, включающая реактор (110) конверсии водяного газа, содержащий второй теплообменник (163), где реактор (110) конверсии водяного газа расположен во втором пути потока среды между устройством метанирования и РОС (130).