ТОПЛИВОИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА НА ГАЗООБРАЗНОМ УГЛЕРОД- И ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕМ ТОПЛИВЕ С ВЫВЕДЕНИЕМ ИЗ ЦИКЛА ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована при создании энергетических установок с исключением выброса в атмосферу диоксида углерода.
В последние годы для повышения КПД тепловых электростанций широкое распространение начали получать парогазовые установки (ПГУ). Вместе с тем, их использование в энергетике требует соблюдения по меньшей мере двух важных условий. Первое из них связано с применением в ПГУ газовых турбин, для защиты лопаток которых от агрессивного воздействия продуктов сгорания, используемых в качестве рабочего тела, требуется работа на беззольном, преимущественно, газообразном топливе. Второе условие, предъявляемое ко всем современным топливосжигающим установкам, требует минимизации загрязнения атмосферы вредными выбросами, в том числе диоксида углерода. Первое из указанных условий может быть достигнуто внутрицикловой газификацией исходного твердого или жидкого топлива с получением топливного газа в виде синтез-газа или генераторного газа. Второе условие обычно обеспечивается предварительной очисткой топливного газа, поддержанием определенного режима его сжигания в топочном устройстве и очисткой выхлопных газов перед их выбросом в атмосферу. Для более эффективного сжигания топливного газа его в ряде случаев подвергают термической конверсии с выделением и отводом образующегося водорода. При этом появляется возможность создания так называемых «гибридных» установок, сочетающих различные формы преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности, с использованием топливных элементов, что позволяет повысить КПД такой установки.
Известна топливоиспользующая энергетическая система на газообразном углерод- и водородсодержащем обессеренном топливе, включающая реакторную
установку для конверсии указанного топлива и его разделения с отводом водорода, а также две установки для раздельного преобразования химической энергии водорода в электрическую энергию или в тепловую с последующим ее преобразованием в электрическую энергию и с преобразованием химической энергии обедненной водородом части топливного газа (ТГ) в тепловую энергию с последующим ее преобразованием в электрическую энергию, причем по меньшей мере установка, работающая на обедненной водородом части ТГ, снабжена камерой сгорания указанной части ТГ, оборудованной линией подвода окислителя [1] - прототип. К недостаткам прототипа следует отнести нерешенность проблемы максимально полного выделения водорода из ТГ, а также проблемы очистки обедненной водородом части ТГ от диоксида углерода перед выбросом в атмосферу.
Достигаемым результатом полезной модели является повышение степени выделения водорода из ТГ и исключение необходимости выброса в атмосферу выхлопных газов при сжигании обедненной водородом части ТГ.
Указанный результат обеспечивается тем, что в топливоиспользующей энергетической системе на газообразном углерод- и водородсодержащем обессеренном топливе, включающей реакторную установку для конверсии указанного топлива и его разделения с отводом водорода, а также две установки для раздельного преобразования химической энергии водорода в электрическую энергию или в тепловую с последующим ее преобразованием в электрическую энергию и с преобразованием химической энергии обедненной водородом части ТГ в тепловую энергию с последующим ее преобразованием в электрическую энергию, причем по меньшей мере установка, работающая на обедненной водородом части ТГ, снабжена камерой сгорания указанной части ТГ, оборудованной линией подвода окислителя, согласно полезной модели реакторная установка выполнена в виде парового конвертора и двух водородных мембранных реакторов, один из которых установлен до, а другой - после конвертора, а линия подвода окислителя камеры сгорания установки, работающей на обедненной водородом части ТГ, подключена к источнику подачи кислорода,
причем указанная установка снабжена последовательно установленными за камерой сгорания газовой турбиной, котлом-утилизатором и компрессором, соединенным с линией подачи на захоронение выхлопных газов.
При этом повышение степени выделения водорода из ТГ обеспечивается за счет установки двух водородных мембранных реакторов, расположенных до и после парового конвертера, а также за счет того, что водяной пар в паровом конвертере, вступая в реакцию с монооксидом углеродом повышает содержание водорода в ТГ. Исключение же необходимости выброса в атмосферу выхлопных газов при сжигании обедненной водородом части ТГ достигается сжиганием этой части ТГ в кислороде, в результате чего соответствующие выхлопные газы представляют собой практически только диоксид углерода, который не выбрасывается в атмосферу, а направляется на захоронение.
На чертеже изображена технологическая схема топливоиспользующей энергетической системы согласно полезной модели.
Система включает реакторную установку 1, выполненную в виде двухступенчатого парового конвертора с конвертером 2 первой ступени и конвертером 3 второй ступени и двух водородных мембранных реакторов соответственно 4, 5, причем реактор 4 установлен до конвертера 2 первой ступени и соединен с ним линией 6, а реактор 5 - после конвертера 3 второй ступени и соединен с ним линией 7 отвода обедненного водородом ТГ. Конвертер 2 соединен с конвертером 3 линией 8. Оба конвертера 2 и 3 соединены с источником пара (на чертеже не показан) линиями 9, 10, 11. Для охлаждения ТГ перед подачей его в конвертеры 2 и 3 на соответствующих линиях 6 и 8 установлены водяные теплообменники 12 и 13. Система также включает две энергетические установки для раздельного преобразования химической энергии водорода и обедненной водородом части ТГ в электрическую энергию, причем каждая из них представляет собой парогазовую установку (ПГУ) с общей для обеих установок паровой турбиной. Первая из указанных установок содержит камеру сгорания 14 водорода с линиями 15, 16, 17 его подвода от мембранных реакторов 4, 5 и линией 18 подвода воздуха от компрессора 19, а также газовую турбину
рания 14 водорода с линиями 15, 16, 17 его подвода от мембранных реакторов 4, 5 и линией 18 подвода воздуха от компрессора 19, а также газовую турбину 20, соединенную с камерой сгорания 14 линией 21, и присоединенный к газовой турбине 20 электрогенератор 22. Для охлаждения водорода на линии 17 его подвода к камере сгорания 14 данной энергетической установки установлен водяной теплообменник 23, а для охлаждения конвертера 2 первой ступени он снабжен водяной рубашкой 24, причем все три теплообменника 13, 12, 23 и водяная рубашка 24 по воде включены последовательно с помощью линий 25-29. На входной водяной линии 25 установлен насос 30, а выходная линия 29 является паровой и подключена к паровой линии 9. Вторая энергетическая установка содержит камеру сгорания 31 обедненного водородом ТГ с линией 32 его подвода и с линией 33 подвода кислорода от компрессора 34, а также газовую турбину 35, соединенную с камерой сгорания 31 линией 36, и присоединенный к газовой турбине 35 электрогенератор 37. Обе газовые турбины 20 и 35 снабжены каждая соответственно линиями 38, 39 отвода выхлопных газов, каждая из которых соединена со своим котлом-утилизатором соответственно 40, 41, паровые тракты 42, 43 которых подключены к общей для обеих энергетических установок паровой турбине 44 со своим электрогенератором 45. Выходные части газовых трактов обоих котлов-утилизаторов 40, 41 соединены с выхлопными линиями соответственно 46, 47. При этом выхлопная линия 46 соединена с дымовой трубой (на чертеже не показана) непосредственно или, при необходимости, через установку для очистки от оксидов азота (на чертеже не показана), а на выхлопной линии 47 последовательно по ходу газов установлены водяной теплообменник 48 и компрессор 49 для подачи охлажденного диоксида углерода на захоронение.
Топливоиспользующая энергетическая система согласно полезной модели работает следующим образом.
Газообразное углерод- и водородсодержащее обессеренное топливо, в частности генераторный газ, полученный при газификации твердого топлива, поступает в мембранный реактор 4 реакторной установки 1, в которой разделяется
на водород и обедненный водородом ТГ. Водород из реактора 4 по линии 15 подается на охлаждение в водяной теплообменник 23, откуда по линии 17 поступает в камеру сгорания 14 первой ПГУ. В эту же камеру сгорания 14 компрессором 19 по линии 18 подается сжатый воздух. В ПГУ продукты сгорания водорода в качестве рабочего тела приводят во вращение газовую турбину 20 и электрогенератор 22, после чего выхлопные газы, представляющие собой азото-кислородную смесь, по линии 38 направляются в котел-утилизатор 40, из которого по выхлопной линии 46 выбрасываются в дымовую трубу непосредственно или, при необходимости, после очистки от оксидов азота. Вырабатываемый котлом-утилизатором 40 пар по линии 42 подается в качестве рабочего тела в паровую турбину 44, связанную с электрогенератором 45.
Обедненный водородом ТГ из мембранного реактора 4 по линии 6 подается на охлаждение в водяной теплообменник 12, после чего поступает в конвертер 2 первой ступени. Сюда же по линиям 9, 10 и 6 подается пар. В результате паровой конверсии в ТГ увеличивается содержание водорода. При этом выделяющееся в результате реакции конверсии тепло частично отводится при помощи водяной рубашки 24. Для более полного выделения горючих компонентов продукты конверсии из конвертера 2 первой ступени после охлаждения в водяном теплообменнике 13 по линии 8 поступают в конвертер 3 второй ступени. Сюда же по линиям 9, 11 и 8 подается пар. Продукты конверсии из конвертера 3 второй ступени по линии 7 подаются в мембранный реактор 5, из которого водород по линии 16 направляется в водородную линию 15, а обедненный водородом ТГ - по линии 32 в камеру сгорания 31 второй ПГУ. Дополнительно в камеру сгорания 31 компрессором 34 по линии 33 подается кислород. В ПГУ продукты сгорания из камеры сгорания 31 в качестве рабочего тела приводят во вращение газовую турбину 35 и электрогенератор 37, после чего выхлопные газы, представляющие собой диоксид углерода, по линии 39 направляются в котел-утилизатор 41, из которого после охлаждения в водяном теплообменнике 48 с помощью компрессора 49 удаляются на захоронение. Вырабатываемый котлом-утилизатором 41 пар по линии 43 подается в качестве
рабочего тела в ту же, что и для первой ПГУ, паровую турбину 44, связанную с электрогенератором 45. Подаваемая насосом 30 охлаждающая вода проходит последовательно через водяные теплообменники 13, 12, 23 и водяную рубашку 24, откуда в виде пара по линии 29 направляется в паровую линию 9.
Топливоиспользующая энергетическая система согласно полезной модели, помимо отмеченных выше преимуществ позволяет обеспечить работу ПГУ на твердом топливе с максимально полным выделением из него газообразных горючих компонентов и выделением из продуктов сгорания диоксида углерода без применения химических реагентов.
Источники информации:
1. Патент США №6209494, НКИ 123/3, 2001.