СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЦИКЛЕ, СОДЕРЖАЩЕМ ГАЗОВУЮ ТУРБИНУ Российский патент 2001 года по МПК F02C3/20 

Изобретение относится к технологии выработки электроэнергии в химически рекуперативном цикле, содержащем газовую турбину, более конкретно к способу выработки электроэнергии в цикле, содержащем газовую турбину.

Известен способ выработки электроэнергии в цикле, содержащем газовую турбину, путем эндотермического каталитического парового риформинга газового углеводородного сырья, отвода продукта риформинга, который сжигают сжатым воздухом с последующим расширением получаемого газового продукта сгорания, при этом стадия расширения связана со стадией получения электроэнергии (см. например, Evaluation of Advanced Gas Turbine Cycles, Final report, август 1993 г., Fluor Daniel Inc., Irvine, CA).

Недостаток известного способа заключается в том, что его КПД не превышает примерно 40% из расчета на содержание электроэнергии, обеспечиваемое низшей теплотворной способностью используемого сырья.

Задачей изобретения является разработка способа выработки электроэнергии в содержащем газовую турбину цикле, обеспечивающего повышенный КПД.

Поставленная задача решается в предлагаемом способе выработки электроэнергии цикле, содержащем газовую турбину, путем эндотермического каталитического парового риформинга газового углеводородного сырья, отвода газового продукта риформинга, сгорания по меньшей мере части последнего сжатым воздухом с последующим расширением газового продукта сгорания, стадия которого связана со стадией получения электроэнергии, за счет того, что отходящий газ стадии расширения подают на эндотермический каталитический паровой риформинг.

В качестве газового углеводородного сырья предпочтительно используют поток, содержащий простой диметиловый эфир и/или метанол.

Перед подачей на эндотермический каталитический паровой риформинг отходящий газ стадии расширения используют для косвенного нагрева подаваемого на риформинг потока, содержащего углеводородный газ и водяной пар.

Расширение можно осуществлять в несколько стадий с проведением между ними стадий повторного нагрева.

Используемый в качестве предпочтительного газового углеводородного сырья простой диметиловый эфир можно получать непосредственно из природного газа или из другого ископаемого топлива.

Преимущество использования простого диметилового эфира или метанола в качестве сырья заключается в том, что они могут абсорбировать температуры порядка 200 - 225^oC и использовать их для взаимодействия с водяным паром с получением в качестве основных продуктов сгорания газа, содержащего водород, моноокись углерода и метан. Протекающую при этом реакцию осуществляют в присутствии одного или нескольких катализаторов, которые размещены в реакторе и нагреваются горячим отходящим газом газовой турбины, отводимым со стадии расширения.

Конверсия простого диметилового эфира и метанола до газового топлива, на котором работает турбина, осуществляется по следующей реакционной схеме:
CH₃OCH₃ + H₂О ⇄ 2CH₃ОН (1)
CH₃ОН + H₂О ⇄ CO₂ + 3H₂ (2)
СО₂ + H₂ ⇄ СО+ H₂О (3)
В качестве катализаторов, которые способны катализировать вышеприведенные реакции при низких температурах, можно назвать кислые цеолиты, силикаты окиси алюминия, окиси кремния и алюминия в виде физической смеси со стандартным катализатором разложения метанола на основе окиси алюминия, меди и цинка.

Экономическое значение предлагаемого способа повышается еще за счет того, что простой диметиловый эфир и метанол соответственно могут абсорбировать тепло при низких температурах и превращать их в химическую энергию, которая высвобождается с помощью газовой турбины. Общий энергетический баланс обеспечивается применением одной единственной газовой турбины, которая дает отходящий газ с температурой порядка 500 - 800^oC. Кроме того, достигается высокий КПД без необходимости повторного нагрева. Указанные факты позволяют упростить установку для выработки электроэнергии вышеуказанным путем. Подаваемый на каталитический риформинг поток, содержащий простой диметиловый эфир и/или метанол и воду, может использовать в результате подогрева и испарения остаточного теплоотходящего газа каталитического риформинга, имеющего, например, температуру 250^oC, и таким образом температура отходящих газов может снижаться даже до менее 100^oC.

Соотношение между водой и простым диметиловым эфиром и/или метанолом может колебаться в широких пределах. Оно исключительно определяется с учетом оптимального КПД, для достижения которого соотношение между водяным паром и простым диметиловым эфиром и/или метанолом обычно составляет 2:1 - 20:1. Для осуществления каталитического риформинга можно использовать аппарат стандартного типа, включая трубчатые реакторы, в которых отходящий газ движется вокруг труб, а газовое сырье пропускают через трубы, наполненные катализатором.

Предпочтительно применяют катализаторы, которые представляют собой по меньшей мере два типа. Т.е. применяют так называемый низкотемпературный катализатор, который сохраняет высокую активность до температуры примерно 200^oC, и так называемый высокотемпературный катализатор, например окись алюминия, который можно подвергать воздействию более высоких температур, чем низкотемпературный катализатор. Высокотемпературный катализатор предпочтительно применяют для завершения конверсии простого диметилового эфира и/метанола.

Подачу простого диметилового эфира и/или метанола на каталичиеский риформинг осуществляют в виде смеси с водой. Данная смесь может подогреваться и испаряться, что дает такое преимущество, что смесь водяного пара и простого диметилового эфира и/или метанола может полностью испаряться при высоком давлении, требуемом при температурах, которые значительно более низкие, чем температуры, которые требуются при раздельном испарении водяного пара.

Предлагаемый способ можно осуществлять в установке, схематически представленной на чертеже.

Установка содержит реактор 1 для осуществления парового риформинга, снабженный трубами 2, содержащими смесь катализатора марки ZSM-5 и стандартного катализатора разложения метанола на основе окиси алюминия, меди и цинка (продукта фирмы Хальдор Топсе А/С, DK). Реактор 1 снабжен линией 3 для подачи находящейся под давлением смеси исходного углеводородного газа, подаваемого по линии 4, и водяного пара, подаваемого по линии 5. Кроме того, реактор 1 снабжен линией 6 для подачи газообразного продукта риформинга на стадию 7 сгорания, где он сжигается сжатым воздухом, подаваемым по линии 8 от воздушного компрессора 9, вал которого соединен с газовой турбиной 10, которая, в свою очередь, соединена с генератором трехфазного тока 11. Стадия 7 сгорания подключена по линии 12 к газовой турбине 10, которая, в свою очередь, связана по линии 13 с реактором 1 через косвенный теплообменник 14. Кроме того, установка содержит дополнительный косвенный теплообменник 15, размещенный перед косвенным теплообменником 14 в линии 3 для подачи содержащего углеводород и водяной пар газового потока в реактор 1, который дополнительно снабжен линией 16 для отвода отходящих газов. При этом линия 16 проходит через дополнительный косвенный теплообменник 15.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующим примером.

Пример
94101 нм³/ч газа, содержащего водяной пар и простой диметиловый эфир в мольном соотношении 14,5:1, нагревается до температуры 196^oC путем косвенного теплообмена с имеющим температуру 308^oC отходящим газом, отводимым со стадии каталитического риформинга. Подогретое таким образом сырье далее нагревается до температуры 300^oC путем косвенного теплообмена с горячим отходящим газом турбины, имеющим температуру 771^oC. При этом отходящий газ турбины охлаждается до температуры 450^oC.

Подогретый до температуры 300^oC газ подают на каталитический риформинг, где в результате контактирования со смесью вышеуказанных катализаторов газ превращается до богатого водородом газового топлива состава 30,52 моль.% водорода, 59,22 моль.% воды, 10,01 моль.% двуокиси углерода и 0,25 моль.% моноокиси углерода. Эндотермическую реакцию риформинга поддерживают теплом, доставляемым имеющим температуру 450^oC отходящим газом газовой турбины, подаваемым в межтрубное пространство реактора 1. После передачи тепла на реакции риформинга охлажденный до температуры 309^oC отходящий газ отводят и подают на подогрев подаваемого в реактор 1 газового потока.

118 385 нм³/ч газового продукта риформинга с температурой 305^oC сжигают находящимся под давлением 16 атм и имеющим температуру 420^oC воздухом, подаваемым в количестве 137 000 921 нм³/ч. Получаемый в результате сгорания газ, имеющий температуру 1350^oC и давление 16 атм, подают в количестве 238 094 нм³/ч на стадию расширения, на который газ доводится до атмосферного давления. Получаемую при этом вращательную энергию превращают в электроэнергию мощностью 48 МВт с помощью генератора 11. С учетом того, что энергосодержание подаваемого в реактор 1 исходного газа составляет 100 МВт, КПД данного процесса составляет 48%.

Способ выработки электроэнергии в цикле, содержащем газовую турбину, осуществляется путем эндотермического каталитического парового риформинга газового углеводородного сырья, отвода газового продукта риформинга, сгорания, по меньшей мере, части последнего сжатым воздухом с последующим расширением газового продукта сгорания, стадия которого связана со стадией получения электроэнергии. Перед подачей на эндотермический каталитический паровой риформинг газовое углеводородное сырье подвергают последовательному косвенному теплообмену отходящим газом эндотермического каталитического парового риформинга и отходящим газом стадии расширения. В качестве углеводородного сырья используют простой деметиловый эфир. Отходящий газ из стадии расширения подают на эндотермический каталитический паровой риформинг в качестве средства для осуществления косвенного теплообмена с подаваемым газовым углеводородным сырьем. Изобретение позволяет повысить КПД цикла. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ выработки электроэнергии в цикле, содержащем газовую турбину, путем эндотермического каталитического парового риформинга газового углеводородного сырья, отвода газового продукта риформинга, сгорания, по меньшей мере, части последнего сжатым воздухом с последующим расширением газового продукта сгорания, стадия которого связана со стадией получения электроэнергии, отличающийся тем, что перед подачей на эндотермический каталитический паровой риформинг газовое углеводородное сырье подвергают последовательному косвенному теплообмену отходящим газом эндотермического каталитического парового риформинга и отходящим газом стадии расширения, при этом в качестве углеводородного сырья используют простой диметиловый эфир, а отходящий газ стадии расширения подают на эндотермический каталитический паровой риформинг в качестве средства для осуществления косвенного теплообмена с подаваемым газовым углеводородным сырьем. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расширение осуществляют в несколько стадий с проведением между ними стадий повторного нагрева.