КОМБИНИРОВАННЫЙ СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЖИДКОГО СИНТЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА В СОСТАВЕ ПАРОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ
COMBINED PRODUCING METHOD OF ELECTRIC POWER AND LIQUID SYNTHETIC FUEL INCLUDED IN STEAM GAS PLANT

Изобретение относится к энергетике, в частности к способам получения электроэнергии и синтетического жидкого топлива (метанола) в парогазовых установках.
Предложенный способ позволяет решить ряд задач: производство электрической энергии с низкими выбросами вредных веществ в окружающую среду и получение жидкого синтетического топлива в одном энергохимическом комплексе за счет рационального объединения технологий производства метанола и электроэнергии в технологической схеме парогазовой установки.
Известен способ прямого получения метанола из метана при высоких давлениях. Процесс газофазного окисления проводят при давлениях до 10 МПа и температурах 400-450°С в трубчатых реакторах при относительно низких начальных концентрациях кислорода с последующим охлаждением газожидкостной смеси и отделением жидких продуктов, из которых ректификацией выделяют метанол (см. Арутюнов B.C., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998. С.130-145).
Однако низкая степень конверсии метана за проход через реактор, не превышающая 3-5%, и, соответственно, низкий выход метанола сдерживают практическое внедрение метода получения метанола прямым окислением метана в традиционных установках.
Известен способ получения метанола (см. а.с. СССР на изобретение №1336471, МПК С07С 31/04, 27/12, опубл. 27.09.1996 г.) путем окисления метансодержащего газа кислородсодержащим газом при 370-450°С и повышенном давлении при раздельной подаче реагентов в реактор при температуре подачи кислородсодержащего газа 30-50°С и рассредоточенной подаче кислородсодержащего газа по длине реактора с числом точек ввода больше одной при концентрации кислорода в точке смешения реагентов 1-4 об.%, окисление ведут при давлении 5-20 МПа.
Известен также способ производства метанола (см. патент РФ на изобретение №2162460, МПК С07С 31/04, B01J 12/00, опубл. 27.01.2001 г.), включающий раздельную подачу нагретого углеводородсодержащего газа и кислородсодержащего газа в смесительную зону реактора, последующее газофазное окисление углеводородсодержащего газа при начальной температуре до 500°С, давлении до 10 МПа и содержании кислорода не более 8 об.% в реакционных зонах реактора с дополнительной подачей кислородсодержащего газа в последующие смесительные зоны, охлаждение реакционной смеси, выделение метанола из охлажденной реакционной газожидкостной смеси, подачу отходящих газов в исходный углеводородсодержащий газ или на сжигание, при этом реакционную смесь охлаждают на 70-150°С перед каждой последующей ступенью окисления и закаливают в последней реакционной зоне, снижая температуру реакционной смеси не менее чем на 200°С за время, составляющее менее 0,1 времени ее пребывания в реакционной зоне, а отходящие жидкие кислородсодержащие продукты после отделения метанола подают в первую смесительную зону реактора.
Известен способ получения метанола (см. патент РФ на изобретение №2057745, С07С 29/50, С07С 31/04, опубл. 10.04.1996 г.) путем окисления метансодержащего газа, в том числе природного газа, кислородом или воздухом при 325-500°С, 30-100 атм и концентрации кислорода 2-8 об.% с последующим отделением целевого продукта охлаждением и конденсацией, при этом время контакта реагирующих газов поддерживают в пределах 0,2-10,0 с, причем время реакции не должно превышать время диффузии реагирующих частиц к стенкам реактора, подачу метан- и кислородсодержащего газов в реактор осуществляют раздельно, при этом метансодержащий газ предварительно подогревают до 380-450°С и подают в реактор под давлением 10-100 атм, а кислородсодержащий газ подают под давлением 10-100 атм и при 40-50°С, причем сначала подают только часть кислорода, предпочтительно не более 1,5 об.%, а остальную часть подают в уже развившуюся реакцию без предварительного охлаждения потока, и время смешивания газов в реакторе составляет не более 0,1 времени реакции.
Данные схемы имеют следующие недостатки: сжатие и нагрев углеводородсодержащего газа и сжатие кислородсодержащего газа осуществляется в независимой установке и требует специального оборудования и источников энергии, требуется специальное оборудование для утилизации энергии прореагировавшей смеси, увеличение выхода метанола приводит к усложнению технологической схемы и дополнительному расходу энергии.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является комбинированный способ производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива с использованием газотурбинных и парогазовых установок (см. патент РФ на изобретение №2250872, МПК С01В 03/32, C10L 03/10, F01K 23/10, опубл. 27.04.2005 г.), включающий частичное окисление углеводородного топлива в потоке сжатого воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбиной установки (ГТУ) с последующем дожиманием, получение синтез-газа, его охлаждение и экологическую очистку, полученный синтез-газ подают в однопроходной реактор синтеза с частичным превращением синтез-газа в жидкое синтетическое топливо, оставшийся в реакторе энергетический газ выводят в камеру сгорания газотурбинной установки, при этом степень конверсии синтез-газа выбирают из условия поддержания заданной температуры газа на входе в газовую турбину, определяемой типом газотурбинной установки, используемой для производства электроэнергии.
x
Достоинствами этой схемы является существенная экономия затрат на сжатие окислителя до высокого давления, так как для частичного окисления используется сжатый воздух ГТУ, являющийся рабочим телом ГТУ, непрореагировавший газ используется в качестве топлива в ГТУ, сжигание низкокалорийного газа в камере сгорания ГТУ осуществляется практически без образования NO.
Однако известный способ имеет ряд существенных недостатков: высокотемпературный процесс получения синтез-газа (1100°С), сопровождающийся образованием сажи, сложностью очистки синтез-газа и метанола от сажистых соединений при высоких давлениях и температурах, загрязнение высокотемпературных поверхностей нагрева и газотурбинной установки отложениями сажи.
Задачей настоящего изобретения являются повышение экономической эффективности получения жидкого синтетического топлива (метанола) в парогазовых установках, а также производство электрической энергии с низкими выбросами вредных веществ в окружающую среду.
Техническим результатом, достигаемым при использовании настоящего изобретения, является снижение непроизводительных потерь тепла в цикле парогазовой установки, предотвращение сажеобразования и повышение надежности и эффективности работы теплообменного оборудования и газовой турбины.
Указанный технический результат достигается тем, что в комбинированном способе производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива в составе парогазовой установки, включающем сжатие воздуха в основном и дожимном компрессорах, частичное окисление углеводородсодержащего топлива в реакторе, охлаждение послереакционной смеси, получение метанола, расширение продуктов неполного окисления с подачей их в камеру сгорания газовой турбины, согласно изобретению углеводородсодержащее топливо проходит частичное последовательное окисление при температуре 380-450°С и давлении 4,5-10 МПа с последующим охлаждением послереакционной смеси в холодильнике-конденсаторе конденсатом паротурбинной установки и отделением метанола от жидких продуктов окисления в ректификационной колонне, при этом обеспечение заданной температуры газа на входе в газовую турбину осуществляется выбором числа реакторных установок синтеза метанола.
Обеспечение заданной температуры газа на входе в газовую турбину может также осуществляться подмешиванием исходного углеводородсодержащего топлива в камеру сгорания газовой турбины.
Сущность изобретения заключается в совмещении парогазовой технологии с процессом прямого превращением метана в метанол, минуя стадию синтез-газа, достигаемого при температурах газофазного окисления метана 380-450°С и давлении в диапазоне 4,5-10 МПа. В результате осуществления процесса производства метанола при пониженных температурах исключается процесс сажеобразования, вследствие чего повышается надежность теплообменного оборудования и газовой турбины, уменьшаются поверхности теплоотвода и возрастает экономическая эффективность.
Оптимальным температурным диапазоном образования метанола является 380-450°С при давлениях в диапазоне 4,5-10 МПа. При повышении температуры выше 450°С уменьшается образование метанола, в то же время при недостаточно высоких температурах (ниже 380°С) скорость процесса чрезвычайно мала, поэтому процесс ведут в узком интервале температур. При повышении давления увеличивается выход метанола, но существенно усложняется конструкция установки и возрастает ее стоимость, при давлении ниже 4,5 МПа сокращается выход метанола.
Охлаждение реагирующей смеси в межступенчатых теплообменниках холодным углеводородсодержащего газом на величину, равную ее разогреву на предыдущей стадии окисления, позволяет поддерживать оптимальную температуру синтеза метанола и избежать сажеобразования, нарушающего работу реактора синтеза метанола и загрязняющего получаемый метанол, а также избежать накопления жидких отходов.
Охлаждение и конденсация паров синтетического топлива в холодильнике-конденсаторе осуществляется основным конденсатом паровой турбины.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная технологическая схема комплексного использования углеводородсодержащего топлива (природного газа) с производством электрической энергии и жидкого синтетического топлива (метанола) в составе парогазовой установки; на фиг.2 - относительные капиталовложения в комбинированные способы производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива (СЖТ) в составе парогазовой установки: А - с получением синтез-газа, очисткой его от сажи и преобразованием синтез-газа в СЖТ; Б - с прямым получением СЖТ из метана (предлагаемая технология).
Позиции на фиг.1 обозначают следующее: 1 - воздушный компрессор газотурбинной установки; 2 - дополнительный компрессор; 3 - теплообменники; 4 - реактор синтеза метанола; 5 - компрессор природного газа; 6 - межступенчатые теплообменники; 7 - ступень окисления; 8 - холодильник-конденсатор; 9 - сепаратор; 10 - ректификационная колона; 11 - турбодетандер; 12 - камера сгорания газотурбиной установки; 13 - газовая турбина; 14 - электродвигатель; 15 - электрогенератор; 16 - котел-утилизатор; 17 - паровая турбина; 18 - конденсатор.
Реализация предложенного комбинированного способа производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива в составе парогазовой установки поясняется на примере работы технологической схемы комплексного использования углеводородсодержащего топлива (природного газа) с производством электрической энергии и жидкого синтетического топлива (метанола) в составе парогазовой установки (фиг.1).
Сжатый в воздушном компрессоре 1 газотурбиной установки и дополнительном компрессоре 2 до давления 3-10 МПа, предпочтительно до 4,5-5,0 МПа, и охлажденный в промежуточных теплообменниках 3 воздух подается в реактор 4 синтеза метанола, куда направляется сжатый в компрессоре 5 до давления 3-10 МПа, предпочтительно до 4,5-5,0 МПа, и нагретый в межступенчатых теплообменниках 6 до температуры 300-500°С, предпочтительно до 380-400°С, используемый в схеме углеводородсодержащий газ. Реактор 4 синтеза метанола состоит из последовательно чередующихся смесительных зон и ступеней окисления 7 с установленными у входных торцов реакционных зон рекуперативными теплообменниками 6 для охлаждения реакционной смеси. Оптимальная температура процесса 380-450°С достигается за счет выделения тепла при окислении реакционной смеси и поддерживается на требуемом уровне охлаждением в теплообменниках 6 на величину, равную ее разогреву на предыдущей стадии окисления. Послереакционная смесь подается в холодильник-конденсатор 8, где происходит ее закалка, т.е. охлаждение реакционной смеси не менее чем на 200°С за время, не превышающее 0,1 времени пребывания в реакционной зоне, сепаратор 9 для разделения отходящих газов и жидких продуктов реакции с последующим выделением метанола в ректификационной колонне 10. Отходящие жидкие продукты окисления из ректификационной колонны 10 подаются в первую реакционную зону реактора 4 синтеза метанола, что обеспечивает снижение температуры процесса и позволяет избежать сажеобразования. Энергетический газ расширяется в турбодетандере 11 и подается в камеру сгорания 12 газовой турбины 13. Для обеспечения запуска дополнительного компрессора 2 и заданного давления воздуха на одном валу с турбодетандером 11 установлен электродвигатель 14 с регулируемым приводом. В камеру сгорания 12 газотурбиной установки может подаваться углеводородсодержащий газ исходя из условия поддержания заданной температуры продуктов сгорания на входе в газовую турбину, определяемой типом газотурбинной установки, используемой для производства электрической энергии в электрогенераторе 15. Тепло продуктов сгорания после газовой турбины утилизируется в котле-утилизаторе 16 для генерации пара высокого давления, также для этой цели используется тепло реакционной смеси в холодильнике-конденсаторе 8, после чего пар подается в паровую турбину 17 для выработки электроэнергии в электрогенераторе 15, а затем охлаждается в конденсаторе 18.
Число реакторных установок синтеза метанола может меняться, при этом будет меняться и состав энергетического газа на выходе из них (на входе в камеру сгорания газовой турбины), а также температура его горения. Проектная температура газа перед газовой турбиной может быть обеспечена либо подбором числа принимаемых реакторов синтеза метанола, либо подмешиванием исходного метана в камеру сгорания газовой турбины.
Предложенный способ иллюстрируется следующим примером.
Пример. Расчетные данные выхода метанола для одного установленного реактора 4 (фиг.1) приведены в таблице.
Состав газа после конверсии метана при установке одного реактора (исходный состав природного газа: СН<sub>4</sub> - 98%, N<sub>2</sub> - 1%, СО<sub>2</sub> - 1% об.)
Состав газа на выходе из реактора, % об.
Конверсия метана, %
Выход метанола, кг/кг метана
СН<sub>4</sub>
N<sub>2</sub>
CO<sub>2</sub>
СО
Н<sub>2</sub>
64,1
25,5
1,6
3
2,2
9,5
0,8
На фиг.2 приведены результаты выполненного технико-экономического расчета удельных капиталовложений на единицу производимого метанола для вариантов ПГУ с получением синтез-газа и прямым преобразованием метана в метанол (предлагаемый способ). Видно, что предложенный способ с прямым преобразованием метана в метанол имеет более низкие удельные капиталовложения.
Достоинством предложенного комбинированного способа производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива в составе парогазовой установки является возможность использования типового и унифицированного газотурбинного оборудования.