ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 1995 года по МПК C02F1/58 

Изобретение относится к очистке природных водоемов и может быть использовано для защиты Черного моря от прогрессирующего заражения сероводородом с одновременной утилизацией компонентов, содержащихся в глубинной воде, для получения серы и производства электроэнергии.

Известен энергохимический комплекс, содержащий магистраль глубинной воды водоема, зараженного сероводородом, и устройство сжигания последнего, причем упомянутая магистраль снабжена заборным и сбросным устройствами, а также включенным в нее дегазатором, который линией отвода сероводорода соединен с устройством сжигания сероводорода.

Недостатком такого комплекса является низкая эффективность очистки и использования глубинной воды водоема, обусловленная пониженной степенью дегазации глубинной воды. В результате на сжигание направляется лишь незначительная часть сероводорода, что сокращает производство серы. Отвод в водоем вместе с глубинной водой значительной части невыделенного сероводорода усугубляет заражение водоема. Кроме того, тепло, выделенное при сжигании сероводорода, никак не используется.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является энергохимический комплекс, содержащий магистральный трубопровод глубинной воды водоема, паротурбинную установку, включающую последовательно установленный котел, паровую турбину, конденсатор и установку Клауса, при этом магистральный трубопровод снабжен заборным и сбросным устройствами, механическими и термическими дегазаторами, соединенными посредством линий отвода сероводорода с установкой Клауса и котлом паротурбинной установки, конденсатор которого установлен на участке между дегазаторами, а установка Клауса соединена с трубопроводом отвода продуктов сгорания котла паротурбинной установки, а через установку каталитического обезвреживания с дымовой трубой.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность очистки воды от сероводорода.

Целью изобретения является повышение степени очистки воды от сероводорода.

Цель достигается тем, что известный энергохимический комплекс дополнительно снабжен установкой жидкофазного Клауса, установкой фотокаталитического разложения сероводорода и химическим дегазатором, первая из которых установлена за термическим дегазатором и соединена с трубопроводом отвода продуктов сгорания котла паротурбинной установки, а посредством сбросного устройства с установкой Клауса, вторая снабжена газгольдером и установлена на участке между механическим дегазатором и конденсатором паротурбинной установки, а химический дегазатор установлен между механическим дегазатором и установкой фотокаталитического разложения сероводорода и соединен линией отвода сероводорода с котлом паротурбинной установки и установкой Клауса.

Комплекс может быть снабжен замкнутым контуром низкокипящего рабочего тела, преимущественно аммиака, с парогенератором, газовой двухцилиндровой турбинкой и конденсатором, при этом парогенератор может быть установлен на участке между термическим дегазатором и установкой жидкофазного Клауса, а конденсатор между установкой фотокаталитического разложения и конденсатором паротурбинной установки.

Комплекс может быть снабжен камерой сгорания и соединенной с ней газовой турбиной, при этом камера сгорания может быть соединена с газгольдером установки фотокаталитического разложения сероводорода, а газовая двухцилиндровая турбина может быть снабжена компрессором, соединенным с камерой сгорания.

Комплекс может быть снабжен последовательно соединенными по газовой фазе утилизационным теплообменником и деаэратором, при этом утилизационный теплообменник может быть установлен на участке между термическим дегазатором и установкой жидкофазного Клауса.

Сбросное устройство может быть выполнено в виде открытой сверху емкости, установленной выше уровня воды водоема и снабженной глубинным патрубком, расположенным в ее днище.

Комплекс может быть снабжен гидравлической турбиной, установленной на участке между установкой жидкофазного Клауса и сбросным устройством магистрального трубопровода.

На чертеже схематично изображен энергохимический комплекс.

Энергохимический комплекс содержит магистраль 1 глубинной воды водоема 2, зараженного сероводородом. Магистраль 1 снабжена заборным устройством, выполненным в виде емкости 3 с глубинным патрубком 4. Верхняя и нижняя части емкости 3 расположены соответственно выше и ниже уровня 5 водоема 2. Входной конец 6 магистрали 1 снабжен насосом 7 и заведен в нижнюю часть емкости 3. Магистраль 1 снабжена также сбросным устройством, выполненным в виде открытой сверху емкости 8, расположенной выше уровня 5 водоема 2 и снабженной глубинным патрубком 9. Выходной конец 10 магистрали 1 направлен в емкость 8. В магистраль 1 включены механический дегазатор 11 и термический дегазатор 12.

Комплекс может содержать также паротурбинную установку, включающую в себя последовательно соединенные по ходу рабочего тела котел 13, паровую турбину 14 с электрогенератором 15, конденсатор 16 и циркуляционный насос. Дегазаторы 11 и 12 посредством линий 17 и 18 соответственно отвода сероводорода соединены через компрессор 19 с установкой 20 Клауса и котлом 13 паротурбинной установки. Конденсатор 16 паротурбинной установки своим охлаждающим трактом включен в магистраль 1 между дегазаторами 11 и 12. Установка 20 Клауса подключена к трубопроводу 21 отвода продуктов сгорания котла 13 паротурбинной установки и соединена через установку 22 каталитического обезвреживания с дымовой трубой 23.

Комплекс дополнительно может содержать установку 24 жидкофазного Клауса, включенную в магистраль 1 глубинной воды за термическим дегазатором 12 по ходу воды, подключенную трубопроводом 25 к трубопроводу 21 отвода продуктов сгорания котла 13 паротурбинной установки и соединенную посредством сбросного трубопровода 26 с установкой 20 Клауса. Установка 24 снабжена патрубком 27 отвода серы.

Комплекс дополнительно может содержать установку 28 фотокаталитического разложения сероводорода, снабженную газгольдером 29 и подключенную к магистрали 1 на участке между механическим дегазатором 11 и конденсатором 16 паротурбинной установки. Комплекс может содержать также химический дегазатор 30, включенный в магистраль 1 глубинной воды на участке между механическим дегазатором 11 и установкой 28 фотокаталитического разложения. Химический дегазатор 30 соединен линией 31 отвода сероводорода с котлом 13 паротурбинной установки и установкой 20 Клауса. Установка 28 фотокаталитического разложения сероводорода имеет патрубок 32 отвода серы.

Комплекс дополнительно может содержать замкнутый контур низкокипящего рабочего тела с парогенератором 33, турбиной, которая состоит из цилиндров 34 и 35 соответственно высокого и низкого давления, и конденсатором 36. Газовая турбина соединена с электрогенератором 37 и снабжена клапанами 38 и 39. Клапан 38 установлен перед цилиндром 34 высокого давления и позволяет выключить цилиндр 34 из работы в номинальном режиме работы комплекса, когда клапан 39, установленный на байпасе цилиндра 34, открыт и работает только цилиндр 35 низкого давления. В пиковом режиме работы комплекса клапан 38 нормально открыт, а клапан 39 нормально закрыт, в работе находятся оба цилиндра 34 и 35 газовой турбины. Контур низкокипящего рабочего тела снабжен включенным в него циркуляционным насосом 40. Парогенератор 33 своим греющим трактом включен в магистраль 1 глубинной воды на участке между термическим дегазатором 12 и установкой 24 жидкофазного Клауса. Конденсатор 36 своим охлаждающим трактом подключен посредством трубопровода 41 к магистрали 1 на участке между установкой 28 фотокаталитического разложения и конденсатором 16 паротурбинной установки и соединен с магистралью 1 за термическим дегазатором 12 по ходу воды при помощи трубопровода 42.

Комплекс может содержать также камеру 43 сгорания, подключенную к газгольдеру 29 установки 28 фотокаталитического разложения сероводорода при помощи трубопровода 44, на котором установлена задвижка 45, нормально открытая в пиковом режиме работы комплекса и нормально закрытая в номинальном режиме работы комплекса. К камере 43 сгорания подключена газовая турбина 46, которая сблокирована с компрессором 47, к которому подключена камера 43 сгорания. Турбина 46 снабжена электрогенератором 48.

Комплекс дополнительно может содержать утилизационный теплообменник 49 и деаэратор 50, последовательно соединенные по ходу газа после газовой турбины 46. Теплообменник 49 своим нагреваемым трактом включен в магистраль 1 глубинной воды на участке между термическим дегазатором 12 и установкой 24 жидкофазного Клауса. Деаэратор 50 имеет патрубки 51 и 52 отвода азота и пресной воды соответственно.

Комплекс может содержать гидравлическую турбину 53 с электрогенератором 54, включенную в магистраль 1 глубинной воды на участке между установкой 24 жидкофазного Клауса и сбросным устройством магистрали 1. Установка 20 Клауса снабжена патрубком 55 отвода серы.

Комплекс может содержать также насосы для циркуляции в нем глубинной воды, а также запорную и регулирующую арматуру (на чертеже не показаны).

Энергохимический утилизационный комплекс работает следующим образом.

Насосом 7 глубинную воду из емкости 3 подают в магистраль 1. При этом уровень воды в емкости 3 падает. Так как емкость 3 и водоем 2 являются сообщающимися между собой через патрубок 4, то снижение уровня воды в емкости 3 относительно уровня 5 водоема 2 компенсируется подачей глубинной воды с глубины 1000-1500 м, где расположен нижний конец патрубка 4, по закону "сообщающихся сосудов". Здесь используется гидростатическое давление столба воды водоема. Использование такого заборного устройства в комплексе позволяет снизить энергетические затраты на собственные нужды.

Далее глубинную воду с температурой 7-9^оС последовательно прокачивают через механический дегазатор 11 и химический дегазатор 30. Выделенный в дегазаторе 11 сероводород направляется в линию 17. В химическом дегазаторе 30 с помощью катализаторов или регенерирующих реагентов (например, йодистых соединений) обеспечивается дополнительное выделение сероводорода, в том числе находящегося в гидролизной фазе, который направляется в линию 31. После химического дегазатора 30 часть глубинной воды отбирается в установку 28 фотокаталитического разложения сероводорода на водород и серу. Осажденная сера из установки 28 выводится через патрубок 32, а выделенный водород накапливается в газгольдере 29 при закрытой задвижке 45 на трубопроводе 44. Отработанную в установке 28 глубинную воду сбрасывают в магистраль 1 за установкой 24 жидкофазного Клауса по ходу воды. Оставшуюся после забора на установку 28 глубинную воду опять разделяют на два потока, один из которых направляют через конденсатор 16, где он подогревается до 30^оС, в термический дегазатор 12, а другой поток направляют в конденсатор 36, после которого он сбрасывается опять в магистраль 1 после термического дегазатора 12 по ходу воды. Выделенный в термическом дегазаторе 12 сероводород отводится в линию 18. Из линии 17, 31 и 18 сероводород компрессором 19 подают в котел 13 паротурбинной установки (примерно 1/3 от общего расхода сероводорода), остальную часть сероводорода (примерно 2/3 от общего расхода) направляют в установку 20 Клауса.

В котле 13 сероводород сгорает с образованием SO₂ и H₂O по следующей реакции:
2H₂S + 3O₂ 2SO₂ + 2H₂O +
+ 1038,7 кДж/г-моль.

При этом в котле 13 развивается температура до 1300^оС, что позволяет получать пар энергетических параметров не ниже 450^оС и 30-40 ата. Этот пар направляется в турбину 14 для выработки электроэнергии. Отработавший пар поступает в конденсатор 16, где конденсируется, одновременно нагревая глубинную воду, что позволяет использовать в комплексе термический дегазатор 12 и выделять из глубинной воды дополнительное количество сероводорода.

Продукты сгорания котла 13 через трубопровод 21 направляют в установку 20 Клауса, куда, как уже было отмечено, подают сероводород компрессором 19. При этом в установке 20 Клауса протекает следующая реакция:
SO₂ + 2H₂S 2H₂O + 3S +
+ 105 кДж/г-мoль.

В результате реакции получаются элементарная сера и водяные пары. Серу выводят через патрубок 55, а водяные пары пропускают через установку 22 каталитического обезвреживания, так как после установки 20 Клауса могут быть вредные примеси, и затем выбрасываются через дымовую трубу 23.

После термического дегазатора 12 глубинную воду с температурой 30^оС направляют в парогенератор 33 контура низкокипящего рабочего тела, например, аммиака. Используя тепло глубинной воды, аммиак в парогенераторе 33 кипит, пар направляется в цилиндр 35 низкого давления турбины, вырабатывая электроэнергию. При этом клапан 38 закрыт, а клапан 39 открыт. В конденсаторе 36 отработавшие пары аммиака конденсируются, используя глубинную воду с температурой 7-9^оС в качестве источника холода.

Для более полного извлечения серы глубинную воду после термического дегазатора 12 направляют в установку 24 жидкофазного Клауса, где через воду барботируют сернистый газ, отбираемый посредством трубопровода 25 из трубопровода 21 за котлом 13. Сернистый газ отличается весьма высокой растворимостью в воде. Непрореагировавшие газы сбрасываются из верхней части установки 24 через трубопровод 26 в установку 20 Клауса. При этом сера осаждается и после фильтрации из нее получают сернистую пасту, которая может транспортироваться потребителям в резинокордных контейнерах.

После установки 24 Клауса, если комплекс расположен на достаточной высоте относительно уровня 5 водоема 2, глубинную воду направляют в гидравлическую турбину 53 для дополнительной выработки электроэнергии. После турбины 53 воду, в которой сероводород практически отсутствует, направляют в сбросное устройство, которое имеет оригинальную конструкцию, позволяющую без энергетических затрат сбрасывать воду после турбины 53 на глубину 100-150 м. В сбросном устройстве емкость 8 и водоем 2 сообщаются между собой через глубинный патрубок 9. При этом, поскольку емкость 8 находится выше уровня 5 водоема 2, вода по закону "сообщающихся сосудов" из емкости 8 через патрубок 9 уходит на глубину водоема 2. При этом используется разность весов гидравлических столбов с одной стороны водоема 2, а с другой стороны емкости 8 и патрубка 9.

Выше описана работа комплекса на отрезке времени между пиковыми нагрузками в электросети. В это время газгольдер 29 находится в режиме ожидания: в нем накапливается водород. В режиме пиковых нагрузок задвижку 45 открывают и водород из газгольдера 29 по трубопроводу 44 поступает в камеру 43 сгорания. Туда же поступает воздух от компрессора 47. Продукты сгорания направляются в газовую турбину 46 для производства электроэнергии. Теплота уходящих из турбины 46 газов с температурой 600^оС утилизируется в теплообменнике 49, нагревая глубинную воду перед парогенератором 33. В теплообменнике 49 отработавшие в турбине 46 газы конденсируются. Конденсат с температурой 40-70^оС поступает в деаэратор 50, где одним из известных способов из конденсата выделяют неконденсируемый азот, который можно использовать для производства азотных удобрений, а освобожденный от азота конденсат используют в качестве источника пресной воды, что важно при транспортном исполнении комплекса.

Утилизируемое в теплообменнике 49 тепло переносится в парогенератор 33 контура низкокипящего рабочего тела, температура которого при переходе на пиковый режим работы возрастает с 30^оС до 450^оС. В этом режиме работы клапан 39 закрывают, а клапан 38 открывают, и работают оба цилиндра 34 и 35 турбины. Производство электроэнергии резко возрастает.

Такое устройство энергохимического комплекса позволило по сравнению с прототипом повысить производство электроэнергии на 20-25% и производство на 15-18% При этом в предлагаемом комплексе в отличие от прототипа имеется пиковый энергоисточник, работающий на экологически чистом топливе водороде, источник пресной воды и азота. Следует отметить, что дополнительное производство электроэнергии и серы стало возможным за счет более глубокой очистки глубинной воды от сероводорода, а последнее приводит к улучшению очистки водоема 2 от сероводородного заражения.

Использование: для защиты водоемов от заражения сероводородом с одновременной утилизацией компонентов, содержащихся в глубинной воде, для получения серы и производства электроэнергии. Сущность изобретения: комплекс содержит магистраль глубинной воды водоема, паротурбинную установку, включающую последовательно установленные котел, паровую турбину, конденсатор и установку Клауса. С целью повышения степени очистки воды от сероводорода комплекс дополнительно снабжен установкой жидкофазного Клауса, установкой фотокаталического разложения сероводорода и химическим дегазатором, включенными в магистраль глубинной воды. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. ЭНЕРГОХИМИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС, содержащий магистральный трубопровод глубинной воды водоема, паротурбинную установку, включающую последовательно установленные котел, паровую турбину, конденсатор и установку Клауса, при этом магистральный трубопровод снабжен заборным и сбросным устройствами, механическим и термическим дегазаторами, соединенными посредством линий отвода сероводорода с установкой Клауса и котлом паротурбинной установки, конденсатор которой установлен на участке между дегазаторами, а установка Клауса соединена с трубопроводом отвода продуктов сгорания котла паротурбинной установки, а через установку каталитического обезвреживания с дымовой трубой, отличающийся тем, что, с целью повышения степени очистки воды от сероводорода, он снабжен установкой жидкофазного Клауса, установкой фотокаталитического разложения сероводорода и химическим дегазатором, первая из которых установлена за термическим дегазатором и соединена с трубопроводом отвода продуктов сгорания котла паротурбинной установки, а посредством сбросного устройства с установкой Клауса, вторая снабжена газгольдером и установлена на участке между механическим дегазатором и конденсатором паротурбинной установки, а химический дегазатор установлен между механическим дегазатором и установкой фотокаталитического разложения сероводорода и соединен линией отвода сероводорода с котлом паротурбинной установки и установкой Клауса. 2. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что он снабжен замкнутым контуром низкокипящего рабочего тела, преимущественно аммиака, с парогенератором, газовой двухцилиндровой турбиной и конденсатором, при этом парогенератор установлен на участке между термическим дегазатором и установкой жидкофазного Клауса, а конденсатор установлен между установкой фотокаталитического разложения и конденсатором паротурбинной установки. 3. Комплекс по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен камерой сгорания и соединенной с ней газовой турбиной, при этом камера сгорания соединена с газгольдером установки фотокаталитического разложения сероводорода, а газовая двухцилиндровая турбина снабжена компрессором, соединенным с камерой сгорания. 4. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными по газовой фазе утилизационным теплообменником и деаэратором, при этом утилизационный теплообменник установлен на участке между термическим дегазатором и установкой жидкофазного Клауса. 5. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что сбросное устройство выполнено в виде открытой сверху емкости, установленной выше уровня воды водоема и снабженной глубинным патрубком, расположенным в ее днище. 6. Комплекс по п.1, отличающийся тем, что он снабжен гидравлической турбиной, установленной на участке между установкой жидкофазного Клауса и сбросным устройством магистрального трубопровода.