Топливно-энергетическая система с низким углеродным следом
FUEL AND ENERGY SYSTEM WITH A LOW CARBON FOOTPRINT

Изобретение относится к снижению выбросов диоксида углерода в атмосферу и может быть использовано в энергетической промышленности.
Климатические условия нашей планеты достаточно разнообразны и зависят от многих факторов, одним из которых является парниковый эффект, Постепенное накопление диоксида углерода, сохраняющегося в атмосфере, интенсифицирует парниковый эффект, вызывая потепление климата. В настоящее время концентрация диоксида углерода в атмосфере находится на уровне 400 ppm и увеличивается за счет природных и техногенных факторов. К последним, в частности, относится образование диоксида углерода при сгорании топлива, содержание диоксида углерода в дымовых газах составляет 12000-16000 ppm, а годовая техногенная нагрузка - 30 млрд т диоксида углерода при его общем содержании в атмосфере 1100 млрд т.
Углеродный след представляет собой совокупность всех выбросов парниковых газов на протяжении жизненного цикла продукта, где диоксид углерода играет главенствующую роль. В данный момент экономики всех стран направлены на снижение углеродного следа, что вполне реально при использовании современных комплексных решений. Одним из них является постепенное снижение уровня вырабатываемых углеродных выбросов за счет энергосберегающих или использующих альтернативные виды энергии технологий и аппаратурного оформления процессов, положительно влияющих на экологическое состояние окружающей среды. Реализация этих мероприятий требует существенных финансовых затрат, поэтому наряду с разработкой технических предложений необходима их экономическая оптимизация. При этом необходимо формирование интегральных решений на уровне взаимосвязи производителей промышленной продукции и ее потребителей, в числе которых также выступают промышленные предприятия.
Известен генеральный проект мировой глобальной энергетической системы МГЭС СЭС, использующей способ получения электрической энергии посредством солнечной энергетической станции СЭС в части Генерального проекта Мировой Глобальной энергетической системы МГЭС СЭС, за счет разогрева парового котла концентрированными солнечными лучами путем их преломления с помощью линзы, извергающего пара под давлением превышающем давление водяного столба, соответствующему уровню погружения СЭС в части Генерального проекта Мировой Глобальной энергетической системы МГЭС СЭС, на глубину от ватерлинии вращающим турбину и генератор для выработки тока (заявка на изобретение RU 2003106136, МПК H02N 11/00, заявлена 05.03.2003 г., опубл. 20.01.2005 г.). Основным недостатком изобретения является нестационарная работа парового котла и генератора для выработки электрического тока, поскольку они не могут работать из-за отсутствия солнечных лучей:
• в средней климатической и экваториальной зонах в ночное время и при облачности днем;
• в арктической зоне во время полярной ночи и при облачности полярным днем.
Кроме того, высокой температуры при концентрировании солнечных лучей с помощью линзы можно добиться лишь при соотношении диаметров линзы и горячего пятна примерно 100:1, соответственно, для парового котла размером 5 м линза должна иметь диаметр 500 м и быть расположена на расстоянии около 500 м над котлом, что сложно технически, а экономически, скорее всего, неэффективно.
Известна система энергоснабжения локальных потребителей, состоящая из генераторов на основе возобновляемых источников электроэнергии 1 и 2, генератора на основе невозобновляемого источника энергии – топливного элемента 7, управляющего устройства 13, соединенного с генераторами 1, 2, 7, накопителями энергии 12 и потребителями энергии 18, при этом система дополнительно содержит криобак 3 со сжатым природным газом, соединенный через клапанную систему 4, эжектор 5 и трубопровод 6 с топливным элементом 7, датчики измерения температуры 8, акустической эмиссии 9, давления 10 и механических напряжений 11, установленные на криобаке 3 и трубопроводе 6 и соединенные с управляющим устройством 13, выполненным в виде информационно-измерительной и управляющей системы (патент на изобретение RU 2679685, МПК F01K 25/08, заявлен 15.05.2018 г., опубликован 12.02.2019 г.). Недостатками изобретения являются:
• использование во внештатных и аварийных ситуациях генератора на основе невозобновляемого источника энергии;
• существенные выбросы диоксида углерода с дымовыми газами.
Известен также топливно-энергетический комплекс, включающий поставщика топлива, представленного угледобывающим предприятием с оборудованным отвалом породных отходов, станцией приготовления водоугольной суспензии и производителя тепловой и (или) электрической энергии, оборудованного котлоагрегатами для сжигания угля, доставленного гидравлическим транспортом по углепроводу, и внутренней системой гидрозолоудаления, технологически объединенных между собой указанным углепроводом подачи водоугольной суспензии, при этом поставщик топлива и производитель энергии дополнительно технологически объединены напорными золошлакопроводами подачи отходов от производителя энергии в отвал породных отходов поставщика топлива и напорными водоводами подачи воды от отвала породных отходов поставщика к производителю энергии, отвал породных отходов и станция приготовления водоугольной суспензии также соединены напорными водоводами подачи воды на станцию приготовления водоугольной суспензии (патент на полезную модель RU 23951, МПК F23B 7/00, заявлен 20.08.2001 г., опубл. 20.07.2002 г.). Недостатками полезной модели являются:
• ограниченное применение только для твердого углеродного топлива;
• обязательное наличие поставщика топлива и производителя тепловой и (или) электрической энергии из-за связывающей их системы транспорта противоположных потоков водноугольной и воднохоловой суспензий;
• мощные выбросы диоксида углерода с дымовыми газами.
Общим недостатком рассмотренных систем является, в лучшем случае, локальное сокращение выбросов диоксида углерода. На текущем этапе поиска наукоемких идей необходимо формирование решений на уровне региона, что позволит разрабатывать перспективные планы их развития. Одним из путей, позволяющих реализовать подобные планы, является создание интегральной топливно-энергетической системы региона, способной одновременно решать с позиций уменьшения выброса диоксида углерода как индивидуальные производственные задачи отдельных предприятий, так и стратегию развития производственных мощностей всего региона.
При создании изобретения ставилась задача разработки топливно-энергетической системы, связывающей ряд предприятий региона, производящих и потребляющих углеводородное топливо, таким образом, чтобы, комбинируя топливные потоки различного технологического происхождения, вырабатывать и потреблять топливо с пониженным содержанием углерода, что позволит уменьшить выбросы диоксида углерода в атмосферу.
Поставленная задача решается за счет того, что топливно-энергетическая система с низким углеродным следом включает звено переработки углеводородного сырья, транспортное звено, звено энергетических объектов и звено энергопотребителей, при этом в звене переработки углеродного сырья, содержащем один или несколько газоперерабатывающих и/или нефтеперерабатывающих и/или нефтехимических и/или газохимических заводов, в результате переработки на технологических установках углеводородного сырья, поступающего по магистральным трубопроводам, в качестве одного из продуктов формируют топливную метано-водородную смесь из следующих потоков: метано-водородной смеси с содержанием водорода 65-81 мол.% с установок пиролиза бензина и/или этана и/или сжиженных углеводородных газов, сдувок с содержанием водорода 25-35 мол.% с установок парового риформинга бензина, отходящих газов с содержанием водорода 30-40 мол.% с установок гидрогенизации, чистого водорода с установок получения водорода, топливную метано-водородную смесь с концентрацией по водороду 30-85 мол.% подают с помощью транспортного звена, содержащего один или несколько трубопроводов, в звено энергетических объектов, содержащее тепловые электростанции и/или гидрорециркуляционные электростанции и/или газовые электростанции, и/или в звено энергопотребителей, содержащее объекты жилищно-коммунального хозяйства и/или отдельные населенные пункты, потребляющие углеводородное топливо из магистральных трубопроводов, обеспечивая минимизацию углеродного следа.
В качестве альтернативного источника энергии предложено эффективное использование многочисленных технологических потоков, представляющих смесь метана и водорода, установок предприятий газонефтепереработки и газонефтехимии. Кроме того, при сжигании метано-водородной смеси в печах технологических установок этих предприятий уменьшается выброс в атмосферу дымовых газов, содержащих диоксид углерода, так как водород при сгорании образует менее опасную в экологическом отношении воду.
Минимизацию углеродного следа можно обеспечить за счет регулирования состава топливной метано-водородной смеси в зависимости от сезона и/или потребностей звена энергетических объектов и/или звена энергопотребителей. При этом состав топливной метано-водородной смеси можно регулировать на звене переработки углеводородного сырья перед подачей в транспортное звено или непосредственно на звене энергетических объектов и/или на звене энергопотребителей.
Целесообразно при наличии в регионе месторождений нефти и газа образующиеся в системе парниковые газы закачивать в нефтяные и/или нефтегазовые и/или нефтегазоконденсатные месторождения для поддержания пластового давления или увеличения добычи нефти или захоронения, что исключает попадание диоксида углерода в атмосферу и одновременно повышает продуктивность месторождений.
Полезно на установке получения водорода применять паровой риформинг с использованием в качестве углеводородного сырья магистральный природный газ, при этом вместе с водородом образуется оксид углерода, используемый в качестве сырья газохимических производств.
Полезно сдувки с установок парового риформинга бензина подвергать абсорбционной или адсорбционной очистке от диоксида углерода из-за его возможного образования в ходе побочной шифт-реакции.
Целесообразно в транспортном звене для транспорта метано-водородной смеси в качестве топливного газа газотурбинных установок для приводов компрессоров использовать магистральный природный газ или сухой газ иного происхождения: после регазификации сжиженного природного газа, после смешения с метано-водородной смесью или непосредственно транспортируемую метано-водородная смесь.
Полезно также транспортное звено и/или звено энергопотребителей дополнить резервуарами хранения метано-водородной смеси или подземными хранилищами газа, что обеспечит функционирование топливно-энергетической системы в периоды пиковых нагрузок или при аварийных ситуациях.
Полезно также для звена энергетических объектов дополнительно предусмотреть подачу метано-водородной смеси и/или чистого водорода со стороны, что позволит обеспечить бесперебойную работу в критической ситуации.
Рекомендуется в зависимости от конструкционных особенностей оборудования звена энергетических объектов на паровые и/или энергетические котлы направлять метано-водородную смесь с концентрацией по водороду 30-50 мол.%, а на газовые турбины направлять метано-водородную смесь с концентрацией по водороду 50-85 мол.%
Полезно также звено энергопотребителей дополнить заправочными станциями для автомобильного и/или авиационного и/или морского и/или железнодорожного транспорта, оборудованного для использования в качестве топлива метано-водородной смеси.
Целесообразно для дальнейшей модернизации топливно-энергетической системы звено энергетических объектов частично или полностью перевести на топливные водородные элементы после их дооборудования блоками разделения метано-водородной смеси для получения чистого водорода, при этом отделенный метансодержащий газ возвращается обратно в транспортное звено.
На фигуре приведена принципиальная схема одного из вариантов осуществления заявленной топливно-энергетической системы с низким углеродным следом с использованием следующих обозначений:
1-16 - трубопроводы;
100 - магистральный газопровод углеводородного сырья;
200 - магистральный газопровод товарного топливного газа;
300 - звено переработки углеводородного сырья;
301 - газоперерабатывающий завод;
302 - газохимический завод;
400 - транспортное звено;
500 - звено энергетических объектов;
501 - тепловая электростанция (ТЭС);
502 - газовые электростанции;
600 - звено энергопотребителей;
601 - объекты жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ);
602 - отдельный населенный пункт.
Топливно-энергетическая система с низким углеродным следом связывает ряд предприятий региона, производящих и потребляющих углеводородное топливо. Основной принцип ее работы для цели уменьшения выбросов диоксида углерода в атмосферу заключается в выработке и потреблении топлива с повышенной теплотворной способностью и с пониженным содержанием углерода путем комбинирования различных технологических топливных потоков. Углеводородное сырье, в частности, сырьевой природный газ, из магистрального газопровода углеводородного сырья 100 по трубопроводу 1 поступает в звено переработки углеводородного сырья 300, включающее в себя, например, газоперерабатывающий завод 301 и газохимический завод 302. Также звено переработки углеводородного сырья 300 может содержать один или несколько нефтеперерабатывающих и/или нефтехимических заводов. Очищенный и осушенный природный газ после технологических установок газоперерабатывающего завода 301 по трубопроводу 2 подается в качестве магистрального природного газа в магистральный газопровод товарного топливного газа 200, откуда по трубопроводам 9 и 10 направляется к основным потребителям углеводородного топлива, представленным звеном энергетических объектов 500, которое может включать тепловые электростанции (ТЭС) 501 и/или газовые электростанции 502, и звеном энергопотребителей 600, которое может включать объекты ЖКХ 601 и/или отдельные населенные пункты 602, соответственно. Кроме технологических установок, обеспечивающих получение очищенного и осушенного природного газа, газоперерабатывающий завод 301 может включать установку получения водорода, где используется паровой риформинг магистрального природного газа. Полученный таким образом чистый водород по трубопроводу 3 поступает на смешение с метано-водородной смесью газохимического завода 302. После отделения на газоперерабатывающем заводе 301 на газохимический завод 302 по системе трубопроводов 4 поступают этан и сжиженные углеводородные газы, которые подвергаются пиролизу на соответствующих технологических установках с получением непредельных углеводородов и метано-водородной смеси. Непредельные углеводороды далее используют в качестве сырья для получения газохимической продукции, отводимой по системе трубопроводов 5-7.
В результате смешения потоков на выходе из звена переработки углеводородного сырья 300 формируется топливная метано-водородная смесь, состав которой регулируется поступающим по трубопроводу 3 чистым водородом, и направляется по трубопроводу 8 в транспортное звено 400, содержащее один или несколько трубопроводов, для дальнейшей подачи по трубопроводам 12 и 13 в звено энергетических объектов 500 и/или по трубопроводам 11, 14-16 в звено энергопотребителей 600. Для звена энергетических объектов 500 предусмотрена также подача метано-водородной смеси и/или чистого водорода со стороны (на схеме не указано), что позволит обеспечить бесперебойную работу системы в критической ситуации.
Регулирование состава топливной метано-водородной смеси можно осуществлять как в звене переработки углеводородного сырья 300 перед подачей в транспортное звено 400 – в зависимости от состава технологических установок, так и в звене энергетических объектов 500 и/или звене энергопотребителей в зависимости от конструкционных особенностей этих звеньев.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает минимизацию углеродного следа за счет регулирования состава топливной метано-водородной смеси, используемой в качестве топлива многочисленными потребителями.