Усовершенствованный способ комбинированного производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива с использованием газотурбинных и парогазовых установок с частичным секвестированием диоксида углерода

Изобретение относится к энергетике, в частности к комбинированным способам получения электроэнергии и синтетического жидкого топлива в газотурбинных и парогазовых установках.

Способ включает получение забалластированного азотом синтез-газа за счет частичного окисления природного газа в потоке сжатого воздуха за компрессором высокого давления ПГУ, подаче этого синтез-газа в однопроходной каталитический реактор синтеза метанола с последующим дожиганием обедненного газа после каталитического реактора в камере сгорания ГТУ. Изобретение позволяет повысить эффективность способа получения электроэнергии и синтетического жидкого топлива в газотурбинных и парогазовых установках путем снижения электрической нагрузки в часы ночных провалов, использования избыточной энергии для секвестирования диоксида углерода, извлекаемого из уходящих дымовых газов, с превращением его в синтез-газ с высоким содержанием водорода и монооксида углерода, и подачей его в каталитический реактор для форсирования производства метанола в часы ночных провалов потребления электроэнергии. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, в частности к способам получения электроэнергии в газотурбинных и парогазовых установках с использованием синтез-газа в качестве топлива для этих установок, а также для получения жидкого синтетического топлива.

Получение двух товарных продуктов позволяет повысить эффективность использования исходного топлива за счет рационального объединения технологий.

Аналогом может служить способ получения синтез-газа из твердого или жидкого углеводородного топлива путем их парокислородной газификации и использования полученного синтез-газа для получения метанола и в качестве топлива для парогазовых установок (Drow D.P. et. al. "Fuel and Power Coproduction - The Liquid Phase Method (LPMEH TM) Process Demonstration at Kingsport" Fifth annual DOE Clean Coal Technology Conference Tampa Fl, January 1997).

Недостатком такого процесса является то, что генерация синтез-газа осуществляется в независимой установке со своей системой получения кислорода и системой компремирования синтез-газа до высокого давления.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является "Способ комбинированного производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива с использованием газотурбинных и парогазовых установок" по патенту №2250872 (прототип).

Сущность способа, предложенного в прототипе, заключается в том, что часть воздуха после компрессора высокого давления парогазовой энергетической установки подается в реактор частичного окисления, куда подается весь используемый в установке природный газ.

В реакторе частичного окисления при температуре порядка 1100-1200°C происходит частичное окисление природного газа с получением синтез-газа, забалластированного азотом воздуха.

Полученный синтез-газ охлаждают, кондиционируют и подают в однопроходной каталитический реактор синтеза метанола, где порядка 50% его теплотворной способности превращается в метанол.

Покидающий каталитический реактор низкокалорийный газ подают в камеру сгорания парогазовой установки, где он дожигается.

Полученные продукты сгорания, практически не содержащие токсичных оксидов азота, расширяются в газовой турбине, охлаждаются в котле-утилизаторе и выбрасываются в атмосферу.

За счет синергетического эффекта включения производства метанола в цикл парогазовой установки существенно снижается стоимость генерируемой энергии при реализации метанола, по цене его стандартного производства.

К числу недостатков способа следует отнести:

- Концентрация реагирующих веществ, поступающих в каталитический реактор синтеза метанола 5, относительно низка (H₂ - 20-22%, CO - 13-14%), что сказывается на габаритах и стоимости реактора. Ситуация может быть улучшена за счет дополнительной подачи H₂ и CO в синтез-газ или обогащения воздуха кислородом на входе в реактор частичного окисления.

- Экономичность технологии существенно зависит от снижения электрической нагрузки в часы ночных провалов, так как при снижении электрической нагрузки снижается и выработка синтетического жидкого топлива (СЖТ).

- Снижение выбросов диоксида углерода достигается за счет повышения коэффициента использования топлива по сравнению с раздельным производством электроэнергии и СЖТ. В то же время предлагаемый способ позволяет дополнительно снизить выбросы CO₂ за счет его частичного секвестирования.

Предлагаемое изобретение преследует цель устранить эти недостатки и усовершенствовать предложенный ими ранее способ по патенту №2250872.

Известно, что любая энергетическая установка, работающая на единую энергетическую систему по требованию диспетчера, должна снизить выработку электроэнергии при сокращении ее потребления в течение 8 часов "ночного провала". При этом цена на электроэнергию в часы ночного провала снижается практически в три раза. Желательно, чтобы атомные электростанции в это время работали в базовом режиме.

Предлагаемая усовершенствованная комплексная технология совместного производства электроэнергии и СЖТ позволяет практически полностью прекратить отпуск электроэнергии в энергосистему, увеличив производство продукта - СЖТ.

Это реализуется следующим образом (рис. 1):

1 - воздушный компрессор низкого давления, 2 - воздушный компрессор высокого давления, 3 - реактор частичного окисления, 4 - газоохладитель, 5 - реактор синтеза СЖТ, 6 - камера сгорания ГТУ, 7 - газовая турбина, 8 - турбина детандера, 9 - котел-утилизатор, 10 - электрогенератор, 11 - паровая турбина, 12 - абсорбер CO₂, 13 - десорбер CO₂, 14 - плазмотрон, 15 - газоохладитель, 16 - газовый компрессор, 17 - электродвигатель.

В дневные часы работы в данной парогазовой установке часть сжатого компрессором 1 воздуха дожимается до давления 5,0-6,0 МПа и поступает в реактор частичного окисления природного газа 3, где при температуре порядка 1100°C происходит частичное окисление природного газа с получением синтез-газа, забаластированного азотом воздуха.

Полученный синтез-газ охлаждают в газоохладителе 4, при необходимости очищают от образовавшейся сажи и направляют в реактор синтеза жидкого синтетического топлива 5.

Энергетический газ, покидающий реактор синтеза 5, подогревают в газоохладителе 4 до температуры 500-540°C за счет охлаждения горячего синтез-газа и подают в газовую турбину 8 детандера, приводящую дожимной компрессор 2.

Энергетический низкокалорийный газ после расширения в детандере направляют в камеру сгорания 6 газотурбинной установки.

Тепло продуктов сгорания после газовой турбины 7 утилизируется в котле-утилизаторе 9 для генерации пара высокого давления. Для этой же цели частично используется тепло горячего синтез-газа. Полученный пар после барабан-сепаратора перегревают в газоохладителе 4 и направляют в паровую турбину для выработки электрической энергии.

В случае необходимости теплоту конденсации пара Q1 после паровой турбины 11 используют для производства тепла для отопительных и производственных целей.

В ночные часы работы, когда по требованию энергосистемы выработка электроэнергии должна существенно быть снижена при ее покупке по заниженной цене, режим работы установки меняется.

Часть дымовых газов после ПГУ, например, направляют в абсорбер CO₂ 12, где дымовые газы промывают поглотительным раствором, например моноэтаноламином (или пропускают через молекулярное сито).

Насыщенный раствор подают в десорбер 13, где в результате его нагрева выделяется концентрированный CO₂, который смешивают с природным газом и паром, и полученную смесь подают в плазмотрон 14, куда направляют избыточную электроэнергию и где при температуре 1100-1500°C осуществляют конверсию CO₂ до H₂ и CO по реакции

CH₄+0,33 CO₂+0,66 HO+Q_p->2,66 H₂+1,33 CO

Полученный синтез-газ охлаждают в газоохладителе 15 для генерации пара, сжимают компрессором 16 до давления 4-8 МПа и подают на смешение с основным потоком "бедного" синтез-газа, подаваемого в каталитический реактор синтеза метанола. Производительность реактора растет практически линейно с ростом концентрации H₂ и CO на входе в реактор.

Таким образом вместо электроэнергии, подаваемой в сеть в часы ночных "провалов", увеличивается производство синтетического жидкого топлива (метанола) за счет частичного секвестирования диоксида углерода.

Технико-экономическое преимущество предлагаемого изобретения достигается путем усовершенствования ранее запатентованного эффективного способа комплексного производства электроэнергии и синтетического жидкого топлива за счет следующих технологических приемов:

- Замены производства невостребованной электроэнергии в часы ночных провалов на рост выработки синтетического жидкого топлива.

- Сокращения выбросов диоксида углерода в часы ночных провалов, а следовательно, снижение штрафных санкций, за счет частичного секвестирования CO₂ для производства СЖТ.

Основные показатели работы установки в дневное и ночное время приведены в таблице 1.

1. Комбинированный способ производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива (СЖТ) с использованием газотурбинных и парогазовых установок, включающий частичное окисление углеводородного топлива в потоке сжатого воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки с последующим дожиманием и получением забалластированного азотом синтез-газа, его подачей в однопроходной каталитический реактор синтеза с частичным превращением синтеза-газа в жидкое синтетическое топливо и подачей оставшегося непрореагировшегося газа в камеру сгорания газотурбинной установки для дожигания и получения высокотемпературного рабочего тела для газовой турбины, отличающейся тем, что для увеличения выработки СЖТ в каталитический реактор синтеза подают смесь водорода и монооксида углерода, увеличивая их концентрацию в забалластированном азотом синтез-газе.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что получение водорода и монооксида углерода осуществляют за счет конверсии смеси природного газа, диоксида углерода и водяного пара при температуре 1100-1500°С путем подвода невостребованной электроэнергии в часы ночных провалов, например, в плазмотроне.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что диоксид углерода для подачи в плазмотрон извлекается из дымовых газов после котла-утилизатора за газовой турбиной, например, в абсорбере с помощью раствора моноэтаноламина или с помощью молекулярного сита.

4. Способ по п. 1 или 2, или 3, отличающийся тем, что для получения концентрированного синтез-газа в плазмотрон на 1 моль метана подают 0,33 моля диоксида углерода и 0,66 молей водяного пара.