МУЛЬТИГЕНЕРИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКС С КОМБИНИРОВАННЫМ ТОПЛИВОМ ПРИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА
MULTIGENERATING COMPLEX WITH COMBINED FUEL AT ADDITIONAL PRODUCTION OF HYDROGEN AND OXYGEN

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для производства электроэнергии и тепла с использованием комбинированного топлива для производства водорода и кислорода.
Известен энергокомплекс с комбинированным топливом, содержащий теплогенератор, турбину (паровую, гидропаровую) с основным электрогенератором, конденсатор-подогреватель, насос, отличающийся тем, что основной электрогенератор подключен к электролизеру, который последовательно соединен с накопителями кислорода и водорода, водородным парогенератором, газопаровой турбиной с вспомогательным электрогенератором, вспомогательным конденсатором-подогревателем, насосом. Недостатками предлагаемого энергокомплекса являются: 1) энергокомплекс содержит две турбины и два электрогенератора; 2) газопаровая турбина может работать только периодически с интервалом, необходимым для накопления водорода и кислорода в специальных установках; 3) производство водорода и кислорода не предусмотрено для внешнего потребителя (Леонтьев А.И., Федоров В.А., Мильман О.О. / Патент на изобретение №30848, Россия, Бюл. №19. Дата публикации и выдачи патента 10.07.2002 г.).
Электрогенерирующий комплекс с комбинированным топливом, включающий паровой котел, высокотемпературный водородный пароперегреватель с камерой смешения, соединенный трубопроводами подачи топлива - водорода и кислорода с установками по производству водорода и кислорода, а также паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, утилизационный котел, трубопроводы и арматуру, отличающийся тем, что в нем на трубопроводах подачи водорода и кислорода в высокотемпературный водородный пароперегреватель, соответственно, установлены теплообменники, к которым подведены трубопроводы уходящих газов из парового котла, а к камере смешения подведен трубопровод подачи пара из парового котла. Недостатками электрогенерирующего комплекса являются: 1) ограниченность производство водорода конверсией природного газа, так как предлагается производить водород только паровой конверсией без использования способов парциального окисления и углекислотной конверсии природного газа; 2) производство водорода и кислорода не предусмотрено для внешнего потребителя; 3) производство водорода паровой конверсией природного газа основано на производстве пара, получаемого в паровом котле без использования пара производственного и теплофикационных отборов паровой турбины; 4) не предусмотрено рекуперативное охлаждение высокотемпературного синтез-газа, получаемого конверсией природного газа (Фаворский О.Н., Леонтьев А.И., Федоров В.А., Мильман О.О., Пялов В.Н., Замуков В.В., Бельченков СВ. / Патент на изобретение В1 №017175. Евразийское патентное ведомство. Дата публикации и выдачи патента 30.10.2012 г.)
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в возможности генерации электроэнергии, тепла и дополнительном производстве водорода и кислорода на собственные нужды потребителя при возможности использования различных видов конверсии природного газа для производства водорода при снижении удельных расходов топлива на получение произведенных энергоносителей.
Технический эффект, обеспечивающий решение технической задачи, заключается в дополнительном производстве водорода и кислорода и достигается тем, что известный энергогенерирующий комплекс с комбинированным топливом при дополнительном производстве водорода и кислорода, включающий паровой котел, высокотемпературный пароперегреватель с камерой смешения, соединенный трубопроводами подачи топлива - водорода и кислорода с установкой по производству водорода и установкой по производству кислорода, а также паровую турбину с электрогенератором и конденсатором, котел-утилизатор, трубопроводы воды, пара, конденсата и запорную и регулирующую арматуру, трубопроводы подачи водорода и кислорода в высокотемпературный пароперегреватель, теплообменники, к которым подведены трубопроводы уходящих газов из парового котла, камеру смешения с трубопроводом подачи пара из парового котла, согласно изобретению комплекс снабжен смесителем пара, который соединен трубопроводами с производственным и теплофикационным отбором турбины и котлом утилизатором, электролизной установкой, соединенной на выходе с камерой смешения высокотемпературного пароперегревателя через подогреватели, установкой для производства водорода конверсионными способами природного газа, которая соединена трубопроводами подачи и возврата синтез-газа с паровым котлом, а также соединена трубопроводами подачи диоксида углерода и кислорода с установками по производству диоксида углерода и кислорода соответственно.
На рисунке приведена принципиальная схема электрогенерирующего комплекса для централизованного комбинированного производства электро-, тепло-, водородо- и кислородоснабжения.
Мультигенерирующий комплекс с комбинированным топливом при дополнительном производстве водорода и кислорода, включающий паровой котел 1, высокотемпературный пароперегреватель 2 с камерой смешения, соединенный трубопроводами подачи топлива - водорода 3 и кислорода 4 с установкой по производству водорода 5 и установкой по производству кислорода 6 на которых расположены теплообменники для подогрева водорода 7 и кислорода 8, к которым подведены трубопроводы уходящих газов из парового котла 9, 10, а также паровую турбину 11 сэлектрогенератором 12 и конденсатором 13, котел-утилизатор 14, трубопроводы и запорную и регулирующую арматуру, трубопроводы, камеру смешения с трубопроводом подачи пара 15 из парового котла. Мультигенерирующий комплекс снабжен смесителем пара 16, который позволяет использовать пар производственного и теплофикационных отборов турбины 17, 18, 19 и пар котла утилизатора по линии 20 для производства водорода, электролизной установкой 21 для дополнительного производства водорода и кислорода, соединенной на выходе с камерой смешения высокотемпературного пароперегревателя по линиям 3, 4 через подогреватели 7, 8, установкой для производства водорода конверсионными способами природного газа 5, которая соединена трубопроводами подачи и возврата синтез-газа 22, 23 с паровым котлом 1, а также соединена трубопроводам подачи диоксида углерода и кислорода 24 с установками по производству диоксида углерода и кислорода 25 соответственно для возможности производства водорода различными конверсионными способами.
Установка работает следующим образом.
В паровой котел 1 поступает топливо (природный газ) по линии 26 и окислитель (воздух) по линии 27. По линии 28 подается питательная вода для производства пара. Пар из парового котла 1 по линии 15 отправляется в высокотемпературный пароперегреватель 2, который позволяет нагревать водяной пар до 800-1600°C за счет сжигания водорода в среде кислорода. Полученный пар из высокотемпературного пароперегревателя 2 отправляется на паровую турбину 11 по линии 29. При вращении вала турбины 30 в электрогенераторе 12 производится электроэнергия, одна часть которой отправляется по линии 31 потребителю. Другая часть электроэнергии отправляется по линии 32 в электролизную установку 21 для производства водорода и кислорода, в которую подается вода по линии 33. Для обеспечения работы высокотемпературного пароперегревателя 2 произведенный кислород отправляется из электролизной установки 21 по линии 4, предварительно подогреваясь в подогревателе кислорода 8 отходящими газами с парового котла 1 по линии 10. Предусмотрена дополнительная установка по производству кислорода 6, которая работает при использовании электроэнергии, подаваемой по линии 34 и воздуха по линии 35. Произведенный кислород из установки по производству кислорода 6 подается в трубопровод 4 по трубопроводу 36, в котором предусмотрен отвод кислорода потребителю по линии 37. Водород из электролизной установки 21 отправляется по линии 3 в высокотемпературный пароперегреватель 2, предварительно подогреваясь в подогревателе водорода 7 отходящими газами с парового котла 1 по линии 9. Данная схема предполагает возможность подачи водорода в паровой котел 1 по линии 38. После подогрева кислорода и водорода в подогревателях 7 и 8 соответственно отходящие газы отводятся по линиям 39 и 40 в атмосферу соответственно.
После паровой турбины 11 водяной пар отправляется в конденсатор 13 для перехода в жидкую фазу (конденсат) по линии 41, после чего выходит из конденсатора 13 и по линии 42 смешивается с подпиточной водой с линии 43 из водоподготовительной установки 44 и насосом 45 по линии 28 возвращается в паровой котел 1.
Паровая турбина 11, в зависимости от ее типа, снабжена верхним теплофикационным отбором 19, нижним теплофикационным отбором 18 для нужд теплофикации и промышленным отбором 17, пар которых используется для производства водорода. Покрытие теплофикационной нагрузки при использовании теплофикационных отборов 18 и 19 производится при использовании сетевых подогревателей 46 и 47. Использование пара на производство водорода от теплофикационных отборов 18 и 19 производится только в периоды отсутствия теплофикационной нагрузки, а пар от промышленного отбора 17 на производство водорода при отсутствии промышленной нагрузки по линии 48. При использовании пара теплофикационных отборов 18 и 19 и промышленного отбора 17 на производство водорода используется смеситель пара 16, в который также предусмотрена подача пара от парового котла 1 по линии 49.
Топливо (природный газ) по линии 50 поступает в установку 5 для производства водорода конверсионными способами природного газа. В установке 5 предусмотрено производство водорода с получением синтез-газа при температуре 800-1100°C при протекании следующих химических реакций:
- паровая конверсия (паровой риформинг)
- кислородная конверсия (парциальное окисление)
- углекислотная конверсия («сухой» риформинг)
Для последующего охлаждения синтез-газ направляется в паровой котел 1 по линии 22 и возвращается по линии 23 в установку 5. Охлаждение синтез-газа в котле происходит при нагреве воды в конвективной части котла, в водяном экономайзере, или при использовании газотрубного парового котла.
Охлажденный синтез-газ в установке 5 подвергают реакции водяного газа (реакции водяного сдвига) при температуре 250-400°C:
После проведения реакции (4) в установке 5 синтез-газ охлаждают и отправляют на выделение водорода известными способами (мембранный способ и способ короткоцикловой адсорбция) Полученный водород по линии 51 направляют внешнему потребителю и по линии 52 в линию 3 для использования в высокотемпературном парогенераторе 2 и в паровом котле 1.
Для проведения реакции (1) и (4) в установке 5 используют водяной пар, который поступает по линии 53 из смесителя пара 16. Для проведения реакции (2) используют кислород, который поступает по линии 54 из отвода 55 с линии 4. Для проведения реакции (3) используют углекислый газ, который поступает по линии 24 в производство углекислого газа 25 за счет использования отходящих газов с линий 39 и 40 и поступает в установку 5 по линии 56.
Вторичные продукты из установки 5 по линии 57 поступают в котел-утилизатор 14, пар из которого поступает в промежуточную ступень паровой турбины по линии 58 и в смеситель пара 16 по отводу 20 из линии 58. Питательная вода в котел-утилизатор поступает по линии 59 из линии питательной воды 4, а уходящие газы из котла утилизатора выходят по линии 60.
Применение данной технологии позволит решить проблемы энергосбережения за счет снижения расхода топлива на производство энергоносителей, что приведет к повышению и экологической безопасности в установках производства электроэнергии, тепла, водорода и кислорода.