Газохимическая установка производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода
GAS CHEMICAL PLANT FOR HYDROGEN PRODUCTION WITH OXYFUEL COMBUSTION AND CARBON DIOXIDE CAPTURE

Изобретение относится к области нефтегазохимии и может быть использовано при производстве водорода на органическом топливе с малыми выбросами токсичных веществ и парниковых газов.
2
Известна установка газохимического производства водорода, раскрытая в патенте РФ №2729790, МПК С01В 3/32, опубл. 12.08.2020 и содержащая блок очистки природного газа от примесей, паровой риформер, блок аминовой очистки газа от СО, блок мембранного извлечения СО, блок адсорбции переменного давления и блок сжижения водорода.
Недостатком данного технического решения является необходимость восполнения потерь абсорбента, поглощающего диоксид углерода, а также низкая степень улавливания углекислого газа.
2
Также известна установка для производства водорода с рециркуляцией непрореагировавшего метана, раскрытая в патенте РФ №2509720, МПК С01В 3/32, опубл. 20.03.2014 и содержащая паровой риформер, камеру сгорания, установку паровой конверсии, установку улавливания СО и адсорбционную установку.
Недостатком данного технического решения является необходимость восполнения потерь абсорбента, а также наличие выбросов углекислого газа вследствие неполноты их улавливания методом химической абсорбции.
Другой известной установкой является маломасштабная технологическая схема паровой конверсии метана (Feedstock Е. W. Equipment design and cost estimation for small modular biomass systems, synthesis gas cleanup, and oxygen separation equipment //Nat Renew Energy Lab. - 2006), содержащая водяной насос, паровой теплообменник, паровой риформер, камеру сгорания, дожимной компрессор природного газа, устройство очистки природного газа, теплообменник для нагрева природного газа, охладитель синтез-газа, высокотемпературный реактор, конденсатор, сепаратор и адсорбер переменного давления.
Недостатком данного технического решения является отсутствие улавливания выбросов углекислого газа при производстве водорода.
2
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является газохимическая установка производства водорода с улавливанием углекислого газа с помощью химической абсорбции моноэтаноламинами (Tarun С. В. et al. Techno-economic study of CO capture from natural gas based hydrogen plants //International Journal of Greenhouse Gas Control. - 2007. - T. 1. - №. 1. - C. 55-61), содержащая блок очистки природного газа, компрессор, поверхностные теплообменники, паровой риформер, насос, охладитель-сепаратор, высокотемпературный реактор, адсорбер переменного давления, камеру сгорания, многоступенчатый компрессор, низкотемпературный реактор, воздушный компрессор и установку химической абсорбции.
Недостатком данного технического решения являются необходимость восполнения потерь абсорбента, поглощающего диоксид углерода, а также низкая степень улавливания углекислого газа.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в снижении выбросов диоксида углерода при производстве водорода.
Технический результат заключается в повышении экологичности процесса производства водорода.
Это достигается тем, что предлагаемая газохимическая установка производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода, содержащая блок очистки природного газа, выход которого параллельно соединен с первым входом камеры сгорания и с компрессором, первый поверхностный теплообменник, содержащий горячий газовый и холодный газовый контуры теплоносителя, второй и третий поверхностные теплообменники с собственными горячими газовыми и холодными водяными контурами теплоносителя, причем выход компрессора соединен с входом холодного газового контура теплоносителя первого поверхностного теплообменника, а его выход и выход холодного водяного контура теплоносителя второго поверхностного теплообменника параллельно соединены с входом парового риформера, первый выход которого последовательно соединен с горячим газовым контуром теплоносителя первого поверхностного теплообменника, горячим газовым контуром теплоносителя второго поверхностного теплообменника, охладителем, высокотемпературным реактором, конденсатором, адсорбером переменного давления, выход которого соединен со вторым входом камеры сгорания, выход которой соединен с другим входом парового риформера, второй выход которого последовательно соединен с горячим газовым контуром теплоносителя третьего поверхностного теплообменника, охладителем-сепаратором, многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением, насос, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя третьего поверхностного теплообменника, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя второго поверхностного теплообменника, воздушный компрессор, согласно изобретению, снабжена производящей кислород воздухоразделительной установкой, вход которой соединен с воздушным компрессором, а выход соединен с третьим входом камеры сгорания, причем выход охладителя-сепаратора параллельно соединен с четвертым входом камеры сгорания.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема газохимической установки производства водорода.
Газохимическая установка производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода содержит блок очистки природного газа 1, компрессор 2, первый поверхностный теплообменник 3, содержащий горячий газовый контур теплоносителя 4 и холодный газовый контур теплоносителя 5, паровой риформер 6, камеру сгорания 7, воздухоразделительную установку 8, воздушный компрессор 9, второй поверхностный теплообменник 10, содержащий горячий газовый контур теплоносителя 11 и холодный водяной контур теплоносителя 12, третий поверхностный теплообменник 13, содержащий холодный водяной контур теплоносителя 14 и горячий газовый контур теплоносителя 15, насос 16, охладитель-сепаратор 17, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 18, охладитель 19, высокотемпературный реактор 20, конденсатор 21, адсорбер переменного давления 22.
Вход блока очистки природного газа 1 выполнен с возможностью подачи природного газа, первый выход соединен с первым входом камеры сгорания 7, а второй выход с компрессором 2, выход которого соединен с входом холодного газового контура теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3. Вход насоса 16 выполнен с возможностью подачи воды, а выход соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя 14 третьего поверхностного теплообменника 13, выход которого соединен с входом холодного водяного контура теплоносителя 12 второго поверхностного теплообменника 10. Выход холодного газового контура теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3 и выход холодного водяного контура теплоносителя 12 второго поверхностного теплообменника 10 параллельно соединены с первым входом парового риформера 6, первый выход которого соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 4 первого поверхностного теплообменника 3. Выход горячего газового контура теплоносителя 4 первого поверхностного теплообменника 3 соединен с входом горячего газового контура теплоносителя 11 второго поверхностного теплообменника 10. Выход горячего газового контура теплоносителя 11 второго поверхностного теплообменника 10 соединен с входом охладителя 19. Выход охладителя 19 соединен с входом высокотемпературного реактора 20, выход которого соединен с входом конденсатора 21. Выход конденсатора 21 соединен с входом адсорбера переменного давления 22, первый выход которого выполнен с возможностью отвода произведенного водорода. Второй выход адсорбера переменного давления 22 соединен со вторым входом камеры сгорания 7. Вход воздушного компрессора 9 выполнен с возможностью подачи воздуха, а выход соединен с входом воздухоразделительной установки 8, первый выход которой соединен с третьим входом камеры сгорания 7, а второй выход воздухоразделительной установки 8 выполнен с возможностью отвода азота. Выход камеры сгорания 7 соединен со вторым входом парового риформера 6, второй выход которого соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 15 третьего поверхностного теплообменника 13. Выход горячего газового контура теплоносителя 15 третьего поверхностного теплообменника 13 соединен с охладителем-сепаратором 17, первый выход которого выполнен с возможностью отвода воды. Второй выход охладителя-сепаратора 17 параллельно соединен с многоступенчатым компрессором с промежуточным охлаждением 18 и четвертым входом в камеру сгорания 7.
Газохимическая установка производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода работает следующим образом.
На вход блока очистки природного газа 1 подается природный газ, часть которого затем направляется в камеру сгорания 7, а другая часть на вход компрессора 2, в котором после сжатия осуществляется нагрев в холодном газовом контуре теплоносителя 5 первого поверхностного теплообменника 3 за счет физической теплоты синтез-газа, который затем поступает в паровой риформер 6. Параллельно на вход насоса 16 поступает вода для нагнетания необходимого давления. Затем вода поступает в холодный водяной контур теплоносителя 14 третьего поверхностного теплообменника 13, в котором испаряется за счет утилизации теплоты уходящих газов парового риформера 6. Далее пар поступает в холодный контур теплоносителя 12 второго поверхностного теплообменника 10 в котором происходит перегрев пара за счет утилизации физической теплоты синтез-газа. После перегрева пар смешивается с потоком природного газа и поступает в паровой риформер 6, в котором за счет теплоты, выделившейся в камере сгорания 7, протекают химические реакции, в ходе которых происходит образование синтез-газа, состоящего в основном из угарного газа, водорода и углекислого газа. Затем синтез-газ проходит через горячий контур теплоносителя 4 первого поверхностного теплообменника 3 и горячий контур теплоносителя 11 второго поверхностного теплообменника 10 для охлаждения. Далее синтез-газ охлаждается в охладителе 19, после чего поступает в высокотемпературный реактор 20, где протекает реакция, в ходе которой образуются водород и угарный газ. Затем синтез-газ направляется в конденсатор 21 для удаления оставшихся водяных паров. В адсорбере переменного давления 22 осуществляется выделение водорода из газовой смеси, после чего оставшаяся часть синтез-газа подается в камеру сгорания 7 параллельно подаче природного газа. Воздух после сжатия в воздушном компрессоре 9 поступает в воздухоразделительную установку 8, где разделяется на кислород и азот. Азот отводится из цикла, в то время как кислород направляется в камеру сгорания 7, в которой осуществляется кислородное сжигание смеси природного газа и синтез-газа. Далее выхлопные газы после камеры сгорания 7 поступают в паровой риформер 6. Затем уходящие газы, проходя горячий газовый контур теплоносителя 15 третьего поверхностного теплообменника 13, отдают свою теплоту нагнетаемой воде. Далее газы направляются в охладитель-сепаратор 17 для охлаждения и удаления остатком водяных паров. Избыток углекислого газа, образовавшийся в результате сжигания синтез-газа и метана в кислороде удаляется с помощью многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 18. Оставшиеся газы снова направляются в камеру сгорания 7.
Результаты моделирования газохимической установки производства водорода с кислородным сжиганием топлива и улавливанием диоксида углерода показали, что по сравнению с прототипом улавливание углекислого газа повышается на 22,2% в связи с использованием кислородного сжигания топлива, которое позволяет удалять углекислый газ из основного потока с помощью охладителя-сепаратора и отправлять на захоронение, а также рециркуляции оставшейся части углекислого газа в камеру сгорания.
Использование изобретения позволяет повысить экологичность, избежать затраты энергии на процесс регенерации абсорбента и необходимость подачи реагентов в установку химической абсорбции за счет применения воздухоразделительной установки 8 и рециркуляции потока углекислого газа в камеру сгорания 7.