УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ СПОСОБ КОМБИНИРОВАННОГО ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЖИДКОГО СИНТЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАЗОТУРБИННЫХ И ПАРОГАЗОВЫХ УСТАНОВОК С ЧАСТИЧНЫМ СЕКВЕСТИРОВАНИЕМ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
IMPROVED METHOD FOR COMBINED PRODUCTION OF ELECTRICITY AND LIQUID SYNTHETIC FUEL WITH USE OF GAS TURBINE AND COMBINE CYCLE GAS TURBINE UNITS WITH PARTIAL SECONDARY CARBON DIOXIDE SEQUESTERING

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:
2
2
- Концентрация реагирующих веществ, поступающих в каталитический реактор синтеза метанола 5, относительно низка (H - 20-22%, CO - 13-14%), что сказывается на габаритах и стоимости реактора. Ситуация может быть улучшена за счет дополнительной подачи H 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).
2
- 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 CO 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):
2
2
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 CO, 13 - десорбер CO, 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.
2
Часть дымовых газов после ПГУ, например, направляют в абсорбер CO 12, где дымовые газы промывают поглотительным раствором, например моноэтаноламином (или пропускают через молекулярное сито).
2
2
2
Насыщенный раствор подают в десорбер 13, где в результате его нагрева выделяется концентрированный CO, 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 CO до H и CO по реакции
4
2
p
2
CH+0,33 CO+0,66 HO+Q->2,66 H+1,33 CO
2
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 H 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.
2
- Сокращения выбросов диоксида углерода в часы ночных провалов, а следовательно, снижение штрафных санкций, за счет частичного секвестирования CO для производства СЖТ.
Основные показатели работы установки в дневное и ночное время приведены в таблице 1.