СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЭНЕРГИИ Российский патент 1998 года по МПК F02C3/28 F01K23/06 

Изобретение относится к способу производства энергии, объединяющему так называемый турбинный цикл с увлажненным воздухом (НАТ) со схемой частичного окисления.

Способ включает ступени частичного окисления топлива кислородом или кислородсодержащим газом (газификацию) для получения на выходе газового потока, содержащего горючий газ и пар, закалки упомянутого потока водой для охлаждения и насыщения паром, удаления соединений серы из потока и сжигания потока (топливного газа) в газовой турбине специального назначения, обеспечивающей прямое использование содержания пара в топливном газе.

Газовая турбина установлена в турбинном цикле с увлажненным воздухом (НАТ), означающем, что физическая теплота, получаемая в турбинном цикле, передается сатуратору воздуха, например горячей воде, для увлажнения и насыщения топливного воздуха.

Физическая теплота, получаемая при газификации, передается в НАТ-цикл через посредство насыщения водой и нагревания топливного газа.

Главным преимуществом настоящего изобретения является упрощение интегрирования газогенерирующей части и НАТ-цикла и вследствие этого упрощение конструкции и работы установки и минимизация необходимой связи между включенными технологическими источниками снабжения.

Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что оно упрощает усовершенствование технологии и изготовления турбины внутреннего сгорания и дает возможность использовать один и тот же агрегат турбины внутреннего сгорания и в том случае, когда он используется в качестве отдельного, отапливаемого природным газом НАТ-цикла, и в том случае, когда он интегрирован в газификационную установку.

Используемые в настоящем описании термины означают следующее: газификация - частичное окисление углеродистого топлива кислородом или кислородсодержащим газом с получением газового потока, содержащего горючий газ; газификационная установка - установка для осуществления газификации и следующих после нее процессов подготовки горючего газа от газификации для сжигания в турбине внутреннего сгорания; НАТ-цикл - турбинный цикл с увлажненным воздухом, принцип которого описан в патенте EP 0150990 B1; IGHAT - интегрирование (объединение) газификационной установки и НАТ-цикла; СС - установка или блок комбинированного цикла, включающая турбину внутреннего сгорания и цикл газовой турбины, последний цикл получает тепло из отходящего тепла турбины внутреннего сгорания; углеродистое топливо - под используемым здесь термином понимают любое углеродсодержащее топливо, как например, уголь, нефть, биотопливо и отходы, используемые в качестве топлива.

При использовании турбины внутреннего сгорания для производства энергии турбину внутреннего сгорания часто устанавливают в так называемый контур комбинированного цикла (СС), включающий турбину внутреннего сгорания и цикл паровой турбины, при этом турбина внутреннего сгорания имеет воздушный компрессор, установленный на том же вале, что и экспандер турбины, и сконструирована без промежуточных охладителей, и цикл паровой турбины получает тепло от горячих отходящих или выхлопных газов турбины внутреннего сгорания.

Уровень техники в области интеграции газификационной установки и СС, обычно называемый IGCC, включает CC, усовершенствованный для сжигания богатых топлив, например, природного газа или погонов. Когда такой СС питается бедным (разбавленным) топливом из газификационной установки, воздушный поток из воздушного компрессора турбины внутреннего сгорания должен быть уменьшен для того, чтобы поддерживать точную температуру на входе турбины внутреннего сгорания. Такое уменьшение может быть выполнено в CC эффективно, если воздушный компрессор имеет достаточный запас в его пиковой точке.

В патенте EP 0150990 B1, Process for Production Power описан альтернативный способ для CC извлечения химической энергии топлива для получения электрической энергии с использованием турбины внутреннего сгорания.

Физическая теплота отходящих газов турбины внутреннего сгорания и сжатого воздуха используется для насыщения сжатого горючего воздуха водой и подогрева насыщенного воздуха и топлива перед сжиганием. В этом способе получения энергии поэтому должен быть исключен паровой цикл, и этот способ обычно известен как турбинный цикл с увлажненным воздухом или HAT-цикл.

Объединенные газификационная установка и HAT-цикл, называемые IGHAT (Интегрирование газификационной установки и турбинного цикла с увлажненным воздухом), изучаются уже много лет. Основной работой, описывающей состояние уровня техники, касающегося усовершенствования IGHAT, является доклад "Сравнение турбинного цикла с увлажненным воздухом и установок комбинированного цикла" Института Исследований электроэнергии в США в марте 1991 г. (1E-7300).

Попытка усовершенствования процесса основана на том, что вся физическая теплота, получаемая от газификации и из HAT-цикла, используется для получения горячей воды, которая используется для увлажнения сжатого воздуха в HAT-цикле перед подачей его в качестве горючего или топливного воздуха в турбину внутреннего сгорания. Этот тип интегрирования тепла имеет два недостатка.

1. Газификационная установка и HAT-цикл являются высокоинтегрированными и будут требовать прочной коммерческой и технической взаимосвязи между двумя различными реально существующими объектами, которые во многих случаях с технической точки зрения выгодно разделить. Сильная интеграция также приводит к усложнению эксплуатационных процедур или приемов, в особенности, при запуске, остановке и изменениях нагрузки.

2. Степень увлажненности сжатого воздуха и величина воздушного потока очень сильно отличаются для независимого HAT-цикла, использующего природный газ в качестве топлива, и для HAT-цикла, интегрированного в IGHAT установку. Поэтому в агрегате турбины внутреннего сгорания необходимо осуществить различные механические изменения для этого, чтобы его работа была более эффективной в обоих применениях. Это очень сильно увеличивает стоимость усовершенствования турбины внутреннего сгорания и работ по ее изготовлению.

В патенте США 5.117.623 описан способ извлечения физической теплоты из частичного окисления углеродистого топлива кислородом или кислородсодержащим газом (газификация), используя закалку водой для охлаждения и насыщения водой потока горючего газа из упомянутой газификации путем пропускания потока через теплообменник, в котором поток дополнительно охлаждается за счет теплообмена с циркулирующей водой с тем, чтобы обеспечить конденсацию жидкой воды из потока, расширение пара за счет снижения его давления и удаление соединений серы из потока перед или после снижения его давления, ресатурирование и нагрев потока и последующее сжигание потока в турбине внутреннего сгорания для получения энергии, при этом вышеупомянутая циркуляция воды используется для получения тепла, необходимого для ресатурации потока.

Способ дополнительно включает этап пропускания закаленного потока через котел или кипятильник для увеличения пара перед пропусканием закаленного потока через упомянутый теплообменник для нагревания циркулирующей воды.

Вышеописанный способ открывает простой способ передачи физической теплоты от газификации к CC, использующему насыщение водой очищенного от серы газа и производящему пар. Для того, чтобы передача тепла была более эффективной, способ включает расширение газа в газовом экспандере, производящем энергию.

В патенте EP 0259114 B1 описан способ производства электроэнергии из углеродистого топлива, который включает частичное окисление топлива кислородом или кислородсодержащим газом (газификацию) с получением потока газа, содержащего моноокись углерода и водород (синтез-газ) при избыточном давлении, закалку потока водой с получением насыщенного водой пара, расширение упомянутого газового потока для получения энергии и сжигание расширенного потока с дополнительным кислородом или кислородсодержащим газом для получения дополнительной энергии отличающийся тем, что перед расширением упомянутый газовый поток подвергают реакции перемещения моноокиси углерода, в результате которой, по крайней мере, часть моноокиси углерода в нем превращается в двуокись углерода и водород.

Способ также включает этап удаления серы. Способ дополнительно включает этап пропускания закаленного потока через бойлер для увеличения пара перед пропусканием закаленного потока в реактор перемещения моноокиси углерода.

Вышеописанное изобретение открывает способ передачи физической теплоты от газификации к CC, использующий насыщение водой очищенного от серы газа и получение пара. Для того, чтобы теплопередача была более эффективной, способ включает реакцию перемещения моноокиси углерода и расширение газа в газовом экспандере для получения энергии.

Это изобретение объединяет или интегрирует газификационную установку и HAT-цикл энергетически эффективным и технически простым способом в одно и то же время, поскольку оно упрощает усовершенствование турбины внутреннего сгорания, приспособленной для HAT-цикла.

Суммарный результат различных химических реакций, происходящих в процессе газификации, является экзотермическим, при этом обычно 15-30% энергосодержания углеродистого топлива конвертируется в физическую теплоту, 80% которой может быть извлечено, остальное составляют тепловые потери.

Закалка водой используется для охлаждения и насыщения водой газопроизводящего потока, содержащего горючий газ и возможную извлекаемую физическую теплоту газификации, выраженную температурой газа плюс скрытой теплотой водяных паров, образующихся при закалке водой. Изобретение охватывает новое средство передачи упомянутого извлекаемого или регенерируемого тепла в HAT-цикл.

Изобретение иллюстрируется двумя примерами, которые используют различные принципы очистки газа от серы, а именно
Пример 1: Известная холодная газоочистка (CGCU).

Пример 2: Горячая газоочистка (HGCU) в условиях коммерсиализации.

Пример 1. Газификационная установка с CGCU.

Настоящее изобретение обладает особым преимуществом при высоком давлении газификации, предпочтительнее выше 60 бар, поскольку при более высоком давлении насыщенный водой поток будет достигать равновесия при более высокой температуре, в результате чего становится возможным получать пар из бойлера, расположенного ниже по ходу процесса от закалки водой, при более высоком давлении.

Дополнительное охлаждение газа после упомянутого бойлера, расширение газа и ресатурация очищенного газа, в процессе которой также удаляется сера, осуществляется при температуре 20-40^oC либо до, либо после упомянутого расширения, следуя технологической диаграмме процесса, описанной в патенте США 5.117.623.

Извлекаемую или регенерируемую физическую теплоту из газификации таким образом получают в виде пара умеренного или среднего давления из бойлера, в виде пара в сатурированном очищенном газовом потоке и в виде дополнительного тепла в очищенном газовом потоке, выражающегося в повышенной температуре общего ресатурированного очищенного газового потока.

Физическая теплота из промежуточных охладителей компрессоров в воздушной сепарационной установке, обычно являющейся частью IGCC или IGHAT комплекса, также может быть введена в контур ресатурации очищенного газа в виде контура горячей воды.

Пример 2. Газификационная установка с HGCU.

Настоящее изобретение особенно выгодно при высоком давлении газификации, предпочтительнее выше 60 бар, поскольку при более высоком давлении насыщенный водой поток будет достигать равновесия при более высокой температуре, в результате чего становится возможным получение пара из бойлера, расположенного после закалки водой, при более высоком давлении.

После этого управление газовым потоком следует технологической схеме, описанной в патенте EP 0259114 B1, что означает, что газовый поток из упомянутого бойлера подвергают реакции перемещения моноокиси углерода, после чего поток очищают от серы в процессе очистки HGCU, осуществляемом при температуре от 350 до 500^oC. Очищенный газовый поток затем направляют в газовый экспандер, производящий электроэнергию, перед тем, как направить его в HAT-цикл.

Регенерируемая или извлекаемая физическая теплота от газификации и от упомянутой экзотермической реакции перемещения моноокиси углерода отбирается в виде пара среднего или умеренного давления из бойлера, в виде водяного пара, содержащегося в очищенном газовом потоке, и в виде дополнительной энтальпии или теплосодержания, полученного от нагревания увлажненного очищенного газового потока.

Примеры 1 и 2. Ключевой характеристикой или особенностью новой концепции, описанной в настоящем описании с использованием двух примеров, является то, что извлечение физической теплоты от газификации переносят в HAT-цикл
1. вместе с чистым топливным газом и
2. как пар среднего или умеренного давления.

Альтернативно физическая теплота в паре умеренного или среднего давления или в части его может быть передана в HAT-цикл посредством дополнительной сатурации потока топливного газа или путем инжектирования пара умеренного давления в чистый топливный газ. Теплота сжатия из блока сепарации воздуха может быть также дополнительно добавлена к чистому топливному газу как тепло сатурации или насыщения.

Согласно изобретению HAT-цикл таким образом получает большую часть физической теплоты от газификации посредством чистого насыщенного топливного газа, тогда как меньшую часть добавляют к насыщенному воздушному потоку в виде пара умеренного давления после воздушного сатуратора в HAT-цикле. Альтернативно вся получаемая физическая теплота передается посредством топливного газа.

Далее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на приложенный чертеж, который изображает технологическую схему осуществления изобретения согласно двум описанным выше примерам.

Чертеж изображает полное технологическое решение способа настоящего изобретения с двумя главными блоками газификационной установки и HAT-цикла, установка сепарации воздуха показана как часть газификационной установки.

Углеродистая загрузка подается через трубопровод 1 в блок газификации и закалки водой 2 вместе с кислородом из блока сепарации воздуха 11, подаваемым через трубопровод подачи кислорода 4A. Блок 2 производит поток горючего газа, насыщенного водяным паром под технологическим давлением, и газовый поток подается через трубопровод 3 в технологический бойлер 4, производящий пар, который передается в HAT-цикл трубопроводом 31.

В примере 1 упомянутый газовый поток подвергается дополнительному охлаждению в блоке 5, производящем горячую воду, используемую для ресатурации газового потока в блоке 8 и сатурации или насыщения чистого газа. Между охлаждением газа 5 и ресатурацией газа 8 газовый поток проходит очистку от серы 6 и расширение 7.

Дополнительная ресатурация чистого газа обеспечивается путем утилизации теплоты сжатия из компрессора промежуточного и добавочного охладителей в установке сепарации воздуха 11. Упомянутое тепло передается из установки сепарации воздуха 11 в блок ресатурации 8 в виде горячей воды через трубопровод 12. Чистый ресатурированный газ подается в HAT-цикл посредством трубопровода 13.

В примере 2 газовый поток из бойлера 4 проходит в блок конверсии CO 9, следуя далее в блок очистки горячего газа для удаления серы 10 и расширения газа 7. Чистый газовый поток, содержащий водяной пар, подается в HAT-цикл посредством трубопровода 13.

Расширение газа 7 осуществляется, используя газовый экспандер, который оборудован синхронным генератором переменного тока, производящим электроэнергию.

Газификационная установка должна работать при высоком давлении, предпочтительнее выше 60 бар, что выражается в более благоприятных данных пара для пара, выпускаемого из бойлера 4, а также в увеличении производства энергии из блока расширения газа 7.

Агрегат турбины внутреннего сгорания в HAT-цикле включает турбину внутреннего сгорания 15, воздушный компрессор 14 и синхронный генератор переменного тока 16, установленный на том же самом вале 17.

Воздух подается трубопроводом 22 в воздушный компрессор 14, в котором он сжимается поэтапно в промежуточном и последующем охладителях, используя воду в качестве охлаждающей среды. Упомянутая вода подается в блок увлажнения воздуха 18, где горячая вода вместе с горячей водой, нагретой выхлопом турбины внутреннего сгорания 27, встречается с холодным сжатым воздухом в воздухоувлажняющей колонне внутри блока 18, упомянутый воздух вводится в блок 18 посредством трубопровода 23 из воздушного компрессора 14.

Увлажненный воздух 22 вместе с паром умеренного давления из газификационной установки передается в HAT-цикл посредством трубопровода 31 и дополнительно нагревается в блоке регенерации тепла 19 перед подачей через трубопровод 24 в камеру сгорания 21 вместе с горючим газом из газификационной установки, поступающим в HAT-цикл через трубопровод 13. Горячий отходящий или дымовой газ 30 из камеры сгорания 21 приводит в действие турбодетандер 15 и после этого передается в блок регенерации тепла 19 через трубопровод 27.

Тепло отходящего газа газовой турбины передается в блоке 19 увлажненному воздуху, который через трубопровод 24 направляется в камеру сгорания 21, и горячей воде, которая через трубопровод 26 подается в блок увлажнения воздуха 18. Холодный отходящий газ и блока регенерации тепла 19 выпускается в атмосферу через трубопровод 28 и дымоход 20. Потери воды в выходе 20 компенсируются добавлением свежей воды в HAT-цикл через трубопровод 29.

HAT-турбина внутреннего сгорания, сконструированная в соответствии с настоящим изобретением, должна предпочтительнее быть турбиной, сконструированной для обогащения топлива, например природного газа.

Все турбины внутреннего сгорания, обычно используемые в настоящее время, сконструированы для обогащенного топлива, обычно природного газа или погонов. Когда эти турбины приспосабливают к обедненному топливу, как например, увлажненный газ из газификационной установки, воздушный поток воздушного компрессора из турбины внутреннего сгорания уменьшают для поддержания постоянной температуры на входе турбодетандера.

Некоторые изготовили турбин внутреннего сгорания могут обеспечить это без снижения эффективности энергетической установки. Такая философия конструирования должна применяться и при конструировании турбин внутреннего сгорания для HAT-цикла, что означает, что, когда камера сгорания получает бедный газ через трубопровод 13 и когда поток увлажненного воздуха увеличивается за счет дополнительного потока пара через трубопровод 31, воздушный поток воздушного компрессора через трубопровод 22 уменьшается для того, чтобы поддерживать температуру выпускаемого из камеры сгорания газа в трубопроводе 30 при расчетной температуре на входе газовой турбины.

Такое конструирование дает возможность изготовителям турбин внутреннего сгорания разрабатывать только одну новую турбину внутреннего сгорания, пригодную для эффективной работы и в отдельном HAT-цикле на природном газе и при применении в IGHAT.

Перенос тепла между газификационной установкой и HAT-циклом, представленный в настоящем изобретении, также упростит разработку, конструкцию и эксплуатацию IGHAT установки, а также гарантии предприятий за счет главных технологических запасов, поскольку лимит батареи между двумя основными блоками IGHAT можно легко определить.

Способ может быть использован для производства энергии из углеродистого топлива. Частичным окислением топлива кислородом или кислородсодержащим газом получают горючий газ и физическую теплоту, при этом физическую теплоту или большую ее часть передают в энергопроизводящий блок вместе с горючим газом. Энергопроизводящий блок является турбинным циклом с увлажненным воздухом и дает возможность использовать один и тот же агрегат турбины внутреннего сгорания и в случае использования его в турбинном цикле с увлажненным воздухом, и в случае интегрирования его в газификационную установку. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ производства энергии из углеродистого топлива, включающий окисление топлива кислородом или кислородсодержащим газом, отличающийся тем, что осуществляют частичное окисление с получением потока горючего газа и физической теплоты, физическую теплоту или большую ее часть передают в энергопроизводящий блок вместе с горючим газом и в энергопроизводящем блоке осуществляют турбинный цикл с увлажненным воздухом. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что частичное окисление осуществляют при давлении выше 40 бар. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что частичное окисление осуществляют при давлении выше 60 бар. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что используют пар для передачи меньшей части физической теплоты в энергопроизводящий блок. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что физическую теплоту из промежуточного и добавочного охладителей по крайней мере одного воздухоувлажняющего блока компрессора используют для дополнительного увлажнения горючего газа перед тем, как упомянутый газ передают в энергопроизводящий блок.