Область техники
Настоящее изобретение относится в общем случае к системе и способу для преобразования углеводородного газа в водородосодержащий газ и, в чтности, к системе и способу сжигания углеводородного газа в присутствии воздуха для выработки реформированного газа, содержащего водород и моноокись углерода.
Информация об аналогах.
Давно существует необходимость в преобразовании доступных углеродистых веществ в промежуточные продукты, которые можно затем преобразовывать в редко встречающиеся, но полезные углеводородные продукты, такие как жидкие углеводородные топлива, нефтехимикаты и тому подобное. Например, одним из таких углеродистых веществ является уголь, легко доступный в некоторых областях. Патент США 3986349 рассматривает процесс газификации угля в промежуточный синтетический газ, который может вслед за тем гидрогенизироваться для обеспечения ценного жидкого углеводородного топлива. Это топливо используется для выработки энергии путем относительно чистого горения в газовой турбине открытого цикла.
Природный газ является еще одним углеродистым материалом, который встречается в изобилии во многих регионах, однако его экономически невыгодно разрабатывать из-за отсутствия местных рынков газа или высоких затрат на транспортировку газа на другие рынки. Одно из решений состоит в том, чтобы производить природный газ и преобразовывать его в полевых условиях в более практичное жидкое углеводородное топливо или другой жидкий продукт. Продукт преобразования может использоваться в местных условиях или рентабельно транспортироваться на другие рынки. Способы преобразования легких углеводородных газов, таких как природный газ, в более тяжелые углеводородные жидкости известны из уровня техники. Такие процессы обычно включают в себя "косвенное" преобразование метана в синтетические парафиновые углеводородные соединения, причем метан сначала преобразуется в промежуточный синтетический газ, содержащий водород и моноокись углерода. Получившийся синтетический газ затем преобразуется в жидкие синтетические парафиновые углеводородные соединения посредством реакции Фишера-Тропша. Непреобразованный синтетический газ, оставшийся в остаточном газе процесса после реакции Фишера-Тропша, обычно каталитически восстанавливается в метан путем реакции метанации и возвращается на вход процесса для увеличения общей эффективности преобразования процесса.
Преобразование метана в синтетический газ часто выполняется с помощью высокотемпературного парового риформинга, при котором метан и пар реагируют эндотермически на катализаторе, содержащемся во множестве нагреваемых извне трубок, вмонтированных в большую обогревную печь. Альтернативно метан преобразуется в синтетический газ путем чтичного окисления, при котором метан экзотермически реагирует с очищенным кислородом. Частичное окисление с помощью очищенного кислорода требует установки для отделения кислорода с возможностью значительного сжатия и соответственно со значительными потребностями в энергии. Производство синтетического газа с помощью любого из вышеуказанных средств занимает основную чть капиталовложений в предприятиях по переработке метана в парафиновые углеводороды.
Автотермический риформинг является менее дорогостоящим средством преобразования метана в синтетический газ. Автотермический риформинг использует комбинацию частичного окисления и парового риформинга. Тепло, требуемое для активации реакции эндотермического парового риформинга, получается из экзотермической реакции частичного окисления. В отличие, однако, от вышеописанной реакции частичного окисления, в качестве источника кислорода для реакции частичного окисления используется воздух. Вдобавок, синтетический газ, полученный путем автотермического риформинга, содержит значительное количество азота из входного воздуха. Следовательно, невозможно заново перерабатывать непереработанные компоненты, содержащиеся в остаточном газе процесса, без нежелательного накопления в процессе избытка азота. Производство синтетического газа с растворенным азотом путем автотермического риформинга или частичного окисления с помощью воздуха с последующим преобразованием синтетического газа путем реакции Фишера-Тропша, как рассмотрено в патентах США 2552308 и 2686195, являются, тем не менее, полезным средством для получения синтетических углеводородных жидких продуктов из метана.
Патент США 4833170 раскрывает другой пример автотермического риформинга, в котором газообразный легкий углеводород реагирует с воздухом в присутствии рециркулирующих двуокиси углерода и пара для получения синтетического газа. Синтетический газ получается в присутствии катализатора углеводородного синтеза, содержащего кобальт, образуя поток остаточного газа и поток жидкости, содержащие более тяжелые углеводороды и воду. Эти более тяжелые углеводороды отделяются от воды и восстанавливаются в виде продукта. Остаточный газ каталитически сжигается с дополнительным воздухом для получения двуокиси углерода и азота, которые разделяются. По меньшей мере часть двуокиси углерода заново подается на шаг автотермического риформинга.
Известные из уровня техники способы преобразования углеводородного газа могут отвечать требованиям преобразования углеводородных газов в реформированные газы, такие как синтетический газ, используемые в качестве промежуточных продуктов при производстве желательных конечных продуктов. Тем не менее, найдено, что такие способы не являются полностью рентабельными из-за значительных капиталовложений в оборудование и энергию, требуемые для сжатия входного воздуха. Энергия, требуемая для сжатия входного воздуха, представляет собой большую часть механической энергии, требуемой в процессе, и много этой энергии теряется в виде невосстанавливаемой энергии давления в промежуточном реформированном газе или выходящем из процесса газе. Вдобавок, значительная часть химической энергии топлива в виде непреобразованных соединений и невосстановленных продуктов часто остается в остаточных газах ниже по потоку. В общем случае сильно разреженная природа остаточного газа ниже по потоку и его низкая теплотворная способность не позволяют эффективно восстанавливать из него энергию топлива. В результате, зачастую энергия топлива теряется либо восстанавливается с огромными трудностями и затратами.
Другим недостатком, имеющимся в известных способах преобразования углеводородного газа, в частности при автотермическом риформинге или частичном окислении, является ограниченный выход желательных промежуточных продуктов, появляющихся в результате процесса. Несмотря на то, что реакции автотермического риформинга или частичного окисления достигают равновесия при высоких температурах, в ходе последующего шага охлаждения/гашения происходит значительное обратное реагирование, уменьшая чистый выход промежуточных продуктов. Таким образом, очевидно, что существует необходимость в более эффективном способе преобразования углеводородного газа, преодолевающем вышеописанные недостатки известных способов.
Соответственно, объектом настоящего изобретения является обеспечение эффективного способа преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ. Также объектом настоящего изобретения является обеспечение эффективной системы перерабатывающего оборудования для преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ. В частности, объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые имеют значительно сниженную потребность в энергии. Другим объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые имеют значительно сниженные капиталовложения в оборудование. Еще одним объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые эффективно используют энергию давления выходящего газа и/или энергию топлива остаточного газа ниже по потоку. Еще одним объектом настоящего изобретения является обеспечение таких системы и способа преобразования углеводородного газа, которые имели бы увеличенный выход желательных продуктов. Эти и другие объекты достигаются в соответствии с описанным ниже изобретением.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение представляет собой систему и способ преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ. В первом выполнении изобретения обеспечивается первая система для выполнения первого способа преобразования углеводородного газа. Эта первая система содержит единственную турбинно-компрессорную установку с первичной энерготурбиной и первичным компрессором и первичную камеру сгорания с зоной горения и зоной риформинга. Первый способ выполняется путем начального обеспечения подачи в первую систему, содержащей подаваемый воздух и первичный углеводородный газ, разделяемый на первую часть и вторую часть. Подаваемый воздух сжимается в первичном компрессоре для получения первичного воздуха, разделяемого на значительно большую первую часть и значительно меньшую вторую часть. Первая часть первичного воздуха подается с первой частью первичного углеводородного газа и, опционно, с водой или паром, в зону горения первичной камеры сгорания так, чтобы в зоне горения достигалось почти стехиометрическое соотношение первичного воздуха и первичного углеводородного газа. Первичный воздух и первичный углеводородный газ, опционно в присутствии воды или пара, сжигаются в зоне горения для получения первичного газа сгорания.
Первичный газ сгорания течет вниз по потоку в первичной камере сгорания в зону риформинга, где он объединяется со второй частью первичного углеводородного газа, вводимой в первичную камеру сгорания вниз по потоку от зоны горения. Смесь первичного газа сгорания и второй части первичного углеводородного газа подвергается в зоне риформинга эндотермическим реакциям риформинга, которые охлаждают смесь и производят реформированный газ, содержащий водород и моноокись углерода.
Хотя общее соотношение первичного воздуха и первичного углеводородного газа, подаваемых в первичную камеру сгорания, является субстехиометрическим, за счет поддержания почти стехиометрического соотношения первичного воздуха и первичного углеводородного газа в зоне горения поддерживается возгорающаяся и стабильная самоподдерживающаяся реакция сгорания без образования сажи. Подача воды или пара в зону горения по желанию увеличивает отношение водорода к моноокиси углерода в последующем реформированном газе, разбавляя и охлаждая в то же время первичный газ сгорания и подавляя образование сажи в зоне риформинга.
Реформированный газ выходит из зоны риформинга первичной камеры сгорания и очень быстро расширяется в первичной энерготурбине. Быстрое расширение и происходящее в результате этого охлаждение реформированного газа эффективно гасит реакцию риформинга, обеспечивая высокий выход желательного водорода и моноокиси углерода в реформированном газе. Расширение реформированного газа приводит в действие первичную энерготурбину, которая соединена первичным валом с первичным компрессором, тем самым приводится в действие первичный компрессор. Затем реформированный газ удаляется из системы для последующего использования по назначению. Вторая часть первичного воздуха выпускается из системы для балансировки осевой нагрузки первичного вала и может использоваться в других применениях, внешних по отношению к системе.
Во втором выполнении изобретения обеспечивается альтернативная вторая система для выполнения альтернативного второго способа преобразования углеводородного газа, имеющего значительно большую производительность, нежели первый способ. Эта вторая система содержит практически те же компоненты, что и первая система, действуя практически так же, как и в первом способе. Однако вторая система дополнительно содержит вторую турбинно-компрессорную установку со вторичной энерготурбиной и вторичным компрессором и вторичную камеру сгорания, имеющую зону пламени и зону выгорания. Предусмотрены дополнительные компоненты для сжатия реформированного газа с помощью того топливо, которое доступно из вторичного углеводородного газа описанным ниже способом. Второй способ выполняется путем начального обеспечения подачи во вторую систему, содержащей подаваемый воздух и первичный углеводородный газ, разделяемый на первую часть и вторую часть. Подаваемый воздух сжимается в первичном компрессоре для получения первичного воздуха, разделяемого на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного воздуха подается с первой частью первичного углеводородного газа и, опционно, с водой или паром в зону горения первичной камеры сгорания, образуя в ней первичный газ сгорания. Первичный газ сгорания реагирует со второй частью первичного углеводородного газа в зоне риформинга первичной камеры сгорания, производя реформированный газ, который быстро расширяется в первичной энерготурбине, тем самым приводя первичную энерготурбину в действие и соответственно приводя в действие первичный компрессор.
В отличие от первого способа, вторая часть первичного воздуха остается во второй системе, где она предварительно нагревается теплообменником с помощью выходящего из первичной турбины реформированного газа, образуя вторичный воздух, который разделяется на первую часть и вторую часть. Подача в систему дополнительно содержит вторичный углеводородный газ, предпочтительно отработанный газ с низкой теплотворной способностью из внешнего источника, который предварительно нагревается теплообменником при помощи реформированного газа ниже по потоку от шага предварительного нагрева воздуха. Предварительно нагретый вторичный углеводородный газ подается с первой частью вторичного воздуха в зону пламени вторичной камеры сгорания и сжигается там для получения вторичного газа сгорания. Вторая часть вторичного воздуха подается вместе со вторичным газом сгорания и, опционно, водой или паром в зону выгорания вторичного камеры сгорания для дальнейшего окисления остаточных углеводородов, водорода, моноокиси углерода и других продуктов горения во вторичном газе сгорания до двуокиси углерода и воды. Вторичный газ сгорания также разжижается и охлаждается в зоне выгорания, подавляя образование окислов азота в выходящем из вторичной камеры сгорания отходящем газе. Получающийся отходящий газ расширяется во вторичной энерготурбине, тем самым приводя в действие вторичную энерготурбину и соответственно вторичный компрессор посредством соединенного с ним вторичного вала перед выходом отходящего газа из системы.
После охлаждения реформированного газа теплообменником с помощью второй части первичного воздуха и вторичного углеводородного газа реформированный газ дополнительно охлаждается почти до температуры окружающей среды в обычном средстве охлаждения и поступает в водный сепаратор, где сконденсированная вода удаляется из реформированного газа и выводится из системы. Затем реформированный газ сжимается во вторичном компрессоре и выпускается из системы под относительно высоким давлением для последующего использования по назначению.
В третьем выполнении изобретения обеспечивается альтернативная третья система для выполнения альтернативного третьего способа преобразования углеводородного газа, имеющего гораздо большую производительность, чем второй процесс. Эта третья система содержит практически те же компоненты, что и вторая система, действуя практически так же, как действует второй способ. Третья система, однако, изменяет конфигурацию двух турбинно-компрессорных установок так, что вторая турбинно-компрессорная установка заменяет вторичный компрессор вспомогательным первичным компрессором, который работает вместе с первичным компрессором. Третья система дополнительно предусматривает вспомогательную вторичную энерготурбину, работающую вместе со вторичной энерготурбиной. Переконфигурированные и дополнительные компоненты предусмотрены для сжатия подаваемого воздуха в первичный воздух в две стадии и для производства энергии для потребителей переменной энергии, внешних по отношению к способу, как описано ниже. Третий способ выполняется путем начального обеспечения подачи в третью систему, содержащей подаваемый воздух и первичный углеводородный газ, разделяемый на первую часть и вторую часть. Подаваемый воздух сжимается во вспомогательном первичном компрессоре для получения промежуточного воздуха. Промежуточный воздух подается в первичный компрессор и дополнительно сжимается там для получения первичного воздуха, разделяемого на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного воздуха подается вместе с первой частью первичного углеводородного газа и, опционно, водой или паром, в зону горения первичной камеры сгорания, где получается первичный газ сгорания. Первичный газ сгорания реагирует со второй частью первичного углеводородного газа в зоне риформинга первичной камеры сгорания для получения реформированного газа, который быстро расширяется в первичной энерготурбине, тем самым приводя в действие первичную энерготурбину и, следовательно, первичный компрессор.
Вторая часть подаваемого воздуха предварительно нагревается теплообменником с помощью реформированного газа, выходящего из первичной турбины, образуя вторичный воздух, который разделяется на первую часть и вторую часть. Подача в систему дополнительно содержит вторичный углеводородный газ, предварительно нагреваемый теплообменником с помощью реформированного газа ниже по потоку от шага предварительного нагрева воздуха. Предварительно нагретый вторичный углеводородный газ подается вместе с первой частью вторичного воздуха в зону пламени вторичной камеры сгорания и сжигается там для получения вторичного газа сгорания. Вторая часть вторичного воздуха подается вместе со вторичным газом сгорания и, опционно, водой или паром, в зону выгорания вторичной камеры сгорания для дополнительного окисления там продуктов горения, разжижая и охлаждая в то же время вторичный газ сгорания для подавления образования окислов азота в зоне выгорания. Получающийся выходящий из вторичной камеры сгорания отходящий газ расширяется во вторичной энерготурбине.
В отличие от второго процесса, вторичная энерготурбина соединена вспомогательным первичным валом со вспомогательным первичным компрессором, приводя тем самым в действие этот вспомогательный первичный компрессор. Отходящий газ, выходящий из вторичной энерготурбины, подается на вспомогательную вторичную энерготурбину, где он дополнительно расширяется перед выходом из системы. Энергия вала со вспомогательной вторичной энерготурбины может использоваться внешними по отношению к системе потребителями энергии, такими как электрогенератор. После охлаждения реформированного газа теплообменником с помощью второй части первичного воздуха и вторичного углеводородного газа реформированный газ выпускается из системы под относительно низким давлением для последующего использования по назначению.
Найдено, что настоящие система и способ преобразования углеводородного газа в реформированный водородосодержащий газ в каждом из нескольких выполнений является более рентабельной по сравнению с обычными системами преобразования углеводородного газа из-за сниженных капиталовложений в оборудование и затрат на работу, а также из-за увеличенного выхода продукта. В частности, встраивание газотурбинного цикла в систему преобразования устраняет высокие расходы на обеспечение электрических или паровых воздушных компрессов для сжатия воздуха, подаваемого в одну или несколько камер сгорания. Настоящая система имеет также практическое преимущество в возможности использовать в газотрубинном цикле коммерчески доступные модули газотрубинных двигателей. Коммерческие модули газотурбинных двигателей доступны во многих конструкциях и размерах и серийно производятся в широком ассортименте для достижения высокой степени рентабельности, а также тяжелой и надежной службы.
Расходы на работу объединенного газотрубинного цикла существенно ниже, чем расходы на работу запитываемых снаружи воздушных компрессоров, потому что одна или более газовых турбин приводятся в действие реформированным газом, выработанным в качестве промежуточного продукта для производства желательных продуктов, таких как жидкие углеводородные топлива или нефтехимикаты. Впрыскивание пара или воды в первичную камеру сгорания также выгодно умеряет температуры и увеличивает скорости массопереноса к энерготурбинам, обеспечивая тем самым использование стандартной металлургии при изготовлении энерготурбин без существенной потери термического КПД. Результирующим эффектом этих усовершенствований является поддержание капитальных затрат системы на относительно низком уровне.
Изобретение будет более понятно из прилагаемых чертежей и описания.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является схемой первого выполнения системы и способа по настоящему изобретению.
Фиг. 2 является схемой альтернативного второго выполнения системы и способа по настоящему изобретению.
Фиг. 3 является схемой альтернативного третьего выполнения системы и способа по настоящему изобретению.
Описание предпочтительных выполнений
Настоящее изобретение относится к способу преобразования углеводородного газа для получения водородосодержащего реформированного газа. Изобретение далее относится к системе взаимосвязанного со способом оборудования для осуществления этого способа преобразования углеводородного газа. Выполнение системы и способа по настоящему изобретению описано ниже сначала по фиг.1, на которой система в целом обозначена позицией 10. Система 10 характеризуется включением в нее единственной газотурбинно-компрессорной установки, как будет описано ниже. Система 10 демонстрирует предпочтительное выполнение конфигурации оборудования осуществляемого с его помощью способа для относительно малогабаритного применения, в котором условия рабочего давления сопоставимы с коммерчески доступными газотурбинно-компрессорными установками. Для специалиста, однако, из приводимого здесь описания очевидно, что система 10 может быть модифицирована в объеме настоящего изобретения для применений с другими размерами и другими условиями работы.
Система 10 содержит вход 12 воздуха, который доставляет подаваемый воздух в первичный компрессор 14 со скоростью от приблизительно 5000 до приблизительно 5400 м3/ч, давлением от приблизительно 75 до приблизительно 150 кПа и температурой от приблизительно -30 до приблизительно 40oС. Подаваемый воздух предпочтительно является воздухом из окружающей атмосферы под нормальным давлением и при нормальных температурных условиях. Первичный компрессор 14 сжимает подаваемый воздух до первичного воздуха, имеющего давление от приблизительно 1000 до приблизительно 1050 кПа и температуру от приблизительно 300 до приблизительно 350oС. Первичный воздух выпускается из первичного компрессора 14 в первичную воздушную линию 16, которая подает его в первичный воздушный коллектор 18. Первичный воздух разделяется в первичном воздушном коллекторе 18 на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного воздуха является первичным воздухом горения, составляющим основную часть всего первичного воздуха. Первичный воздух горения выпускается из первичного воздушного коллектора 18 через линию 20 первичного воздуха горения и подается в первичный смеситель 22 горелки, такой как смешивающий коллектор или другое известное смешивающее средство. Вторая часть первичного воздуха является стравливаемым воздухом, который выводится из первичного воздушного коллектора 18 через линию 24 стравливаемого воздуха со скоростью от приблизительно 1000 до приблизительно 1500 м3/ч, и выходит из системы 10 через клапан 26 управления потоком стравливаемого воздуха для альтернативных использований.
Система 10 дополнительно содержит вход 28 первичного углеводородного газа, который доставляет первичный углеводородный газ из удаленного источника (не показан) в систему 10. Первичный углеводородный газ предпочтительно является природным, несинтетическим углеводородным газом, добываемым из подповерхностной формации. Среди таких газов наиболее предпочтителен природный газ, хотя могут быть использованы и другие углеводородные газы, в том числе сопутствующий газ, содержащий азот и/или двуокись углерода, газ из угольных месторождений и газ, выделенный из океанических гидратов. Первичный углеводородный газ принимается через вход 28 первичного углеводородного газа со скоростью от приблизительно 1000 до приблизительно 1200 м3/ч, давлением от приблизительно 1500 до приблизительно 2500 кПа и температурой от приблизительно 10 до приблизительно 50oС. Отметим, что скорость потока первичного воздуха горения через линию 20 первичного воздуха горения является субстехиометрической по отношению к скорости потока первичного углеводородного газа через вход 28 первичного углеводородного газа. В частности, первичный воздух горения содержит только от приблизительно 35 до приблизительно 45% кислорода, необходимых для полного сгорания первичного углеводородного газа. Вход 28 первичного углеводородного газа запитывает коллектор 30 первичного углеводородного газа, который разделяет первичный углеводородный газ на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного углеводородного газа является первичным газом горелки, составляющим от приблизительно 25 до приблизительно 50% объема всего первичного углеводородного газа. Первая часть первичного углеводородного газа подается через линию 32 первичного газа горелки в первичный смеситель 22 горелки.
Линия 34 первичной воды/пара также ведет в первичный смеситель 22 горелки, опционно доставляя в систему 10 либо первичную воду, либо первичный пар из удаленного источника (не показан). В случае, если исполнитель выбирает подачу воды в первичный смеситель 22 горелки, подаваемая вода входит в систему 10 со скоростью от приблизительно 250 до приблизительно 1000 кг/ч через вход 36 воды/пара. Подаваемая вода обычно находится под давлением от приблизительно 100 до приблизительно 300 кПа и при температуре от приблизительно 10 до приблизительно 50oС. Подаваемая вода превращается в первичную воду посредством находящегося в линии насоса 38, который перемещает первую воду в линию 34 первичной воды/пара. Первичная вода имеет давление приблизительно 1500 до приблизительно 2500 кПа и температуру от приблизительно 10 до приблизительно 50oC.
В случае, если исполнитель выбирает подачу пара в первичный смеситель 22 горелки, то для подачи пара используются практически те же средства подачи, что и для воды. Однако из системы 10 исключается встроенный в линию насос 38. Первичный пар подается непосредственно в первичный смеситель 22 горелки через линию 34 первичной воды/пара приблизительно при тех же скорости и давлении, что и вода, но при более высокой температуре от приблизительно 200 до приблизительно 250oС.
Первичный воздух сгорания, первичный газ горелки и, опционно, первичная вода или первичный пар полностью смешиваются в первичном смесителе 22 горелки для образования первичной смеси горелки, предпочтительно имеющей молярный состав из от приблизительно 70 до приблизительно 75% воздуха, от приблизительно 5 до приблизительно 15% углеводородного газа и от приблизительно 11 до приблизительно 28% пара или воды, при этом остаток составляет двуокись углерода и следы прочих соединений. Молярное соотношение первичного воздуха горения к первичному газу горелки в первичной смеси горелки является почти стехиометрическим, составляя от приблизительно 7,5:1 до приблизительно 12:1. Первичная смесь горелки предпочтительно содержит от приблизительно 20% недостатка до приблизительно 20% избытка кислорода, требуемого для полного сгорания углеводородов в первичной смеси горелки. Первичная смесь горелки подается непосредственно из первичного смесителя 22 горелки в узел 40 первичной горелки, где первичная смесь горелки воспламеняется для горения в зоне 42 горения, связанной с узлом 40 первичной горелки. Первичная смесь горелки находится под давлением от приблизительно 1000 до приблизительно 1050 кПа и при температуре от примерно 95 до примерно 300oС в узле 40 первичной горелки перед перемещением в зону 42 горения со скоростью от приблизительно 5000 до приблизительно 6000 м3/ч.
Зона 42 горения является одной из двух зон в первичной камере сгорания 44 сгорания, при этом другой зоной, находящейся ниже по потоку, чем зона 42 горения, является зона 46 рефлрминга. Первичная камера 44 сгорания является котлом непрерывного действия с высокой температурой и высоким давлением, обычно поддерживаемым при давлении от приблизительно 1000 до приблизительно 1500 кПа. Температура в зоне 42 горения поддерживается в пределах от приблизительно 1200 до приблизительно 1700oС, обеспечивая сжигание первичной смеси горелки до состояния первичного газа горения. Первичный газ горения течет из зоны 42 горения в зону 46 рефлрминга.
Вторая часть первичного углеводородного газа, отделенная от первой части первичного углеводородного газа в коллекторе 30 углеводородного газа, является первичным охлаждающим газом, составляющим от приблизительно 50% до приблизительно 75% объема всего первичного углеводородного газа. Эта вторая часть впрыскивается в зону 46 риформинга через линию 48 первичного охлаждающего газа, имеющую размещенный в ней клапан 50 управления потоком первичного охлаждающего газа. Вторая часть первичного углеводородного газа полностью смешивается с первичным газом горения, образуя в зоне 46 риформинга риформенговую смесь. Зона 46 риформинга может содержать катализатор, для содействия идущим в ней эндотермическим реакциям риформинга, но предпочтительно первичная камера 44 сгорания свободна от каких бы то ни было катализаторов, поскольку катализаторы не нужны для эффективного действия системы 10.
В ходе эндотермических реакций риформинга в зоне 46 рефлрминга наблюдается существенное охлаждение риформинговой смеси, но высокая температура зоны 42 горения из-за почти стехиометрического состава первичной смеси горелки поддерживает риформинговую смесь при весьма высокой температуре для активации последующих эндотермических реакций риформинга и для достижения термодинамического равновесия в зоне 46 риформинга. Соответственно в зоне 46 риформинга достигается значительное преобразование риформинговой смеси с получением реформированного газа, содержащего водород и моноокись углерода в желательном соотношении. Пример молярного состава желательного реформированного газа: приблизительно 42% азота, 26% водорода, 8% моноокиси углерода, 6% двуокиси углерода и 17% воды.
Конкретные условия температуры, давления и количественного состава в первичном камере сгорания могут выбираться в пределах выше приведенных диапазонов в соответствии с настоящим изобретением совместно с теорией, известной специалистам, для достижения заранее заданного соотношения водорода и моноокиси углерода в реформированном газе в зависимости от желательного конечного использования реформированного газа. Например, если желательным конечным использованием реформированного газа является синтетический газ для производства жидких углеводородов или нефтехимикатов, конкретные условия первичной камеры сгорания выбираются так, чтобы молекулярное соотношение водорода и моноокиси углерода в реформированном газе находилось в пределах от приблизительно 1,9:1 до приблизительно 2,2:1, предпочтительно приблизительно 2:1. Напротив, если желательным конечным использльзованием реформированного газа является водородсодержащий восстанавливающий газ для восстановления металлургической руды или гидрогенизации тяжелых масел или углей, конкретные условия первичной камеры сгорания выбираются так, чтобы молярное соотношение водорода и моноокиси углерода в реформированном газе находилось в пределах от приблизительно 1,8:1 до приблизительно 3,6:1, предпочтительно по меньшей мере около 3:1. Отметим далее, что присутствие воды или пара в зоне 42 горения желательным образом умеряет температуру горения, снижает образование угля/сажи и увеличивает выработку водорода посредством реакции водно-газового сдвига, тем самым увеличивая соотношение между водородом и моноокисью углерода.
Реформированный газ перемещается из зоны 46 риформинга первичной камеры сгорания 44 и переносится по линии 52 реформированного газа к первичной энерготурбине 54 со скоростью от приблизительно 7500 до приблизительно 8500 м3/ч, под давлением от приблизительно 1000 до приблизительно 1050 кПа и при температуре от приблизительно 750 до приблизительно 1000oС. Реформированный газ частично расширяется в первичной энерготурбине 54 и после этого возвращается из первичной энерготурбины 54 через выход 56 реформированного газа для желательного конечного использования. Первичная энерготурбина 54 механически связана с первичным компрессором 14 посредством вращающегося первичного вала 58, обеспечивая энергетические требования для приведения в действие первичного компрессора 14. Очевидно, что система 10 проявляет энергетическую самодостаточность в такой степени, что энергия, выработанная расширением реформированного газа, выходящего из первичной камеры 44 сгорания, используется в первичном компрессоре 14 для сжатия воздуха, подаваемого в первичную камеру 44 сгорания. Система 10 также обеспечивает значительное количество выходящего под избыточно высоким давлением воздуха, который может использоваться в любом количестве альтернативных применений, в том числе при сжигании отработанных газов, образовавшихся при процессах, использующих реформированный газ.
Альтернативное второе выполнение второй системы и второго способа по настоящему изобретению описано ниже со ссылками на фиг.2, на которой вторая система в целом обозначена позицией 100. Вторая система 100 практически идентична первой системе 10, однако вторая система 100 дополнительно содержит вторую газотурбинно-компрессорную установку для обработки потока вторичного углеводородного газа, как будет описано ниже, связанную с первой газотурбинно-компрессорной установкой, обрабатывающей поток первичного углеводородного газа. Компоненты второй системы 100, соответствующие компонентам первой системы 10, обозначаются трехзначными ссылочными позициями, в которых первой цифрой является единица, а вторые две цифры идентичны ссылочной позиции соответствующей компоненты первой системы.
Система 100 имеет вход 112 воздуха, доставляющий подаваемый воздух в первичный компрессор 114 со скоростью от приблизительно 45000 до приблизительно 55000 м3/ч, под давлением от приблизительно 75 до приблизительно 150 кПа и при температуре от приблизительно -30 до приблизительно 40oС. Подаваемым воздухом предпочтительно является воздух из окружающей атмосферы при нормальных давлении и температуре. Первичный компрессор 114 сжимает подаваемый воздух до первичного воздуха, имеющего давление от приблизительно 900 до приблизительно 1100 кПа и температуру от приблизительно 300 до приблизительно 350oС. Первичный воздух выдувается из первичного компрессора 114 в линию 116 первичного воздуха, которая подает его в коллектор 118 первичного воздуха. Первичный воздух разделяется в коллекторе 118 первичного воздуха на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного воздуха является первичным воздухом горения, составляя основную массу всего первичного воздуха. Первичный воздух горения выводится из коллектора 118 первичного воздуха по линии 120 первичного воздуха горения и подается в первичный смеситель 122 горелки со скоростью от приблизительно 35000 до приблизительно 40000 м3/ч. Вторая часть первичного воздуха является стравливаемым воздухом, который выпускается из коллектора 118 первичного воздуха через линию 124 стравливаемого воздуха, имеющую расположенный в ней клапан 126 управления стравливаемым воздухом. Соотношение объемов первичного воздуха горения и стравливаемого воздуха находится в пределах от приблизительно 1:0,25 до приблизительно 1:0,5.
Система 100 далее содержит вход 128 первичного углеводородного газа, который доставляет в систему 100 первичный углеводородный газ из удаленного источника (не показан). Первичным углеводородным газом предпочтительно является встречающийся в природе несинтетический углеводородный газ, добываемый из подповерхностной формации, такой как природный газ, сопутствующий газ, содержащий азот и/или двуокись углерода, газ из угольных месторождений и газ, выделенный из океанических гидратов. Первичный углеводородный газ принимается через вход 128 первичного углеводородного газа со скоростью от приблизительно 11000 до приблизительно 12000 м3/ч, под давлением от приблизительно 900 до приблизительно 1100 кПа и при температуре от приблизительно 5 до приблизительно 40oС. Отметим, что скорость потока воздуха горения является субстехиометрической по отношению к скорости потока первичного углеводородного газа через вход 128 первичного углеводородного газа. В частности, первичный воздух горения содержит только от приблизительно 35 до приблизительно 45% кислорода, необходимого для полного сгорания первичного углеводородного газа. Вход 128 первичного углеводородного газа ведет в коллектор 130 первичного углеводородного газа, разделяющий первичный углеводородный газ на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного углеводородного газа является первичным газом горелки, составляющим от приблизительно 25 до
приблизительно 50% объема всего первичного углеводородного газа. Первая часть первичного углеводородного газа подается через линию 132 первичного газа горелки в первичный смеситель 122 горелки.
Линия 134 первичной воды/пара также ведет в первичный смеситель 122 горелки, опционно подавая в систему 100 либо первичную поду, либо первичный пар из удаленного источника (не показан). В случае, если исполнитель выбирает подачу первичной воды в первичный смеситель 122 горелки, подаваемая пода принимается в систему 100 со скоростью от приблизительно 6000 до приблизительно 7000 кг/ч через вход 136 воды/пара. Подаваемая вода обычно находится под давлением от приблизительно 75 до приблизительно 150 кПа и при температуре от приблизительно 5 до приблизительно 50oС. Подаваемая вода поддерживается при повышенном давлении посредством встроенного в линию насоса 138, который перемещает первую часть подаваемой воды в качестве первичной воды в линию 134 первичной воды/пара со скоростью от приблизительно 800 до приблизительно 1100 кг/ч, под давлением от приблизительно 1000 до приблизительно 2500 кПа и при температуре от примерно 5 до примерно 50oС.
В случае, если исполнитель выбирает подачу первичного пара в первичный смеситель 122 горелки, то для пара применяются практически те же средства подачи, что и для воды. Однако из системы 100 исключается встроенный в линию насос 138. Первичный пар подается непосредственно в первичный смеситель 122 горелки через линию 134 первичной воды/пара приблизительно с той же скоростью и под тем же давлением, что и первичная вода, но при более высокой температуре от приблизительно 200 до приблизительно 250oС.
Первичный воздух горения, первичный газ горелки и, опционно, первичная вода или первичный пар полностью смешиваются в первичном смесителе 122 горелки, чтобы сформировать первичную смесь горелки, предпочтительно имеющую молярный состав от приблизительно 85 до приблизительно 90% воздуха, от приблизительно 5 до приблизительно 10% углеводородного газа и от приблизительно 0 до приблизительно 5% пара или воды, при этом остаток составляет двуокись углерода и следы других соединений. Молярное соотношение первичного воздуха горения и первичного газа горелки в первичной смеси горелки является почти стехиометрическим, находясь в пределах от приблизительно 7,5:1 до приблизительно 12: 1. Первичная смесь горелки предпочтительно содержит от приблизительно 20% недостатка до приблизительно 20% избытка кислорода, необходимого для полного сгорания углеводородов в первичной смеси горелки. Первичная смесь горелки подается напрямую из первичного смесителя 122 горелки в узел 140 первичной горелки, где первичная смесь горелки воспламеняется для горения в зоне 142 горения, связанной с узлом 140 первичной горелки. Первичная смесь горелки находится под давлением от приблизительно 950 до приблизительно 1050 кПа и при температуре от приблизительно 150 до приблизительно 300oС в узле 140 первичной горелки перед перемещением в зону 142 горения со скоростью от приблизительно 40000 до приблизительно 50000 м3/ч.
Зона 142 горения является одной из двух зон в первичной камере сгорания 144, второй зоной является зона 146 риформинга, находящаяся ниже по потоку, чем зона 142 горения. Первичная камера сгорания 144 является котлом непрерывного действия, обычно поддерживаемым при давлении от приблизительно 850 до приблизительно 1000 кПа. Температура в зоне 142 горения поддерживается в пределах от приблизительно 1700 до приблизительно 2000oС, обеспечивая сжигание первичной смеси горелки до первичного газа горения.
Вторая часть первичного углеводородного газа, отделенная от первой части первичного углеводородного газа в коллекторе 130 первичного углеводородного газа, является первичным охлаждающим газом, составляющим от приблизительно 50% до приблизительно 75% объема всего первичного углеводородного газа. Эта вторая часть впрыскивается через линию 148 первичного охлаждающего газа, имеющую размещенный в ней клапан 150 управления потоком первичного охлаждающего газа, в первичную камеру сгорания 144 ниже по потоку зоны 142 горения и выше по потоку зоны 146 риформинга. Вторая часть первичного углеводородного газа полностью смешивается с первичным газом горения, образуя риформинговую смесь, которая течет в зону 146 риформинга. Зона 146 риформинга может содержать катализатор, способствующий идущим там эндотермическим реакциям риформинга, но предпочтительно первичная камера сгорания 144 практически свободна от каких бы то ни было катализаторов, поскольку катализаторы не требуются для эффективного действия камеры сгорания.
В зоне 146 риформинга происходит существенное охлаждение риформинговой смеси в ходе эндотермических реакций риформинга, но высокая из-за почти стехиометрического состава первичной смеси горелки температура зоны 142 горения поддерживает риформинговую смесь при достаточно высокой температуре для активации последующих эндотермических реакций риформинга и для достижения в зоне 146 риформинга термодинамического равновесия. Соответственно, в зоне 146 риформинга достигается значительное преобразование риформинговой смеси с выработкой реформированного газа, содержащего водород и моноокись углерода в желательном соотношении. Пример молярного состава желательного реформированного газа: приблизительно 45% азота, 30% водорода, 15% моноокиси углерода, 3% двуокиси углерода и 7% воды и менее 1% углеводорода. Конкретные условия первичной камеры сгорания по температуре, давлению и количественному составу могут выбираться в пределах вышеприведенных диапазонов в соответствии с настоящим изобретением и в соответствии с теорией, известной специалисту, для достижения заранее заданного соотношения между водородом и моноокисью углерода в реформированном газе в зависимости от желательного конечного использования реформированного газа.
Реформированный газ перемещается из зоны 146 риформинга первичной камеры сгорания 144 и переносится по линии 152 реформированного газа в первичную энерготурбину 154 со скоростью от приблизительно 60000 до приблизительно 65000 м3/ч, под давлением от приблизительно 800 до приблизительно 1000 кПа и при температуре от приблизительно 850 до приблизительно 950oС. Реформированный газ частично расширяется в первичной энерготурбине 154, которая механически связана с первичным компрессором 114 посредством вращающегося первичного вала 158, обеспечивая энергетические требования для приведения в действие первичного компрессора 114. После частичного расширения реформированный газ переносится по линии 202 охлаждения реформированного газа в водный сепаратор 204. Несколько теплообменников 206, 208, 210 располагаются в линии 202 охлаждения реформированного газа выше по потоку от водного сепаратора 204, действуя описанным ниже способом для охлаждения реформированного газа до температуры от приблизительно 40 до приблизительно 50oС и давления от приблизительно 200 до приблизительно 300 кПа по достижении им водного сепаратора. При этих условиях в реформированном газе конденсируется вода, которая отделяется от реформированного газа в водном сепараторе 204 и выводится из системы 100 через выходную водяную линию 212.
Стравливаемый воздух подается по линии 124 стравливаемого воздуха через клапан 126 управления потоком стравливаемого воздуха в теплообменнике 206 стравливаемого воздуха, где реформированный газ из линии 202 охлаждения реформированного газа предварительно нагревает стравливаемый воздух, формируя вторичный воздух с температурой от приблизительно 500 до приблизительно 600oС и давлением от приблизительно 250 до приблизительно 350 кПа. Реформированный газ соответственно выходит из теплообменника 206 стравливаемого воздуха с температурой от приблизительно 550 до приблизительно 650oС и давлением от приблизительно 250 до приблизительно 300 кПа. Вторичный воздух подается по линии 214 вторичного воздуха в коллектор 216 вторичного воздуха, где вторичный воздух разделяется на первую часть и вторую часть. Первая часть вторичного воздуха является вторичным воздухом пламени, который выводится из коллектора 216 вторичного воздуха по линии 218 вторичного воздуха пламени и подается во вторичный смеситель 220 горелки со скоростью от приблизительно 12500 до приблизительно 13500 м3/ч.
Система 100 далее содержит вход 222 вторичного углеводородного газа, который доставляет вторичный углеводородный газ из удаленного источника (не показан) в систему 100. Вторичным углеводородным газом является предпочтительно отработанный газ из не связанного с данным способом процесса, содержащий непреобразованные водород и моноокись углерода и неиспользуемые углеводороды. К примеру, вторичным углеводородным газом может являться газообразный отработанный продукт процесса, использующего реформированный газ по настоящему способу. Примерный молярный состав желательного вторичного углеводородного газа представляет собой от приблизительно 85 до приблизительно 90% азота, от приблизительно 1 до приблизительно 3% водорода, от приблизительно 1 до приблизительно 3% моноокиси углерода, от приблизительно 4 до приблизительно 5% двуокиси углерода, приблизительно 3% воды и от приблизительно 1 до приблизительно 3% метана и других углеводородов. Обычно вторичный углеводородный газ имеет относительно низкую теплотворную способность, гораздо ниже, чем теплотворная способность первичного углеводородного газа, и содержит лишь от приблизительно 4 до приблизительно 10% горючих соединений.
Вторичный углеводородный газ подается через вход 222 вторичного углеводородного газа со скоростью от приблизительно 30000 до приблизительно 35000 м3/ч, под давлением от приблизительно 300 до приблизительно 400 кПа и при температуре от приблизительно 5 до приблизительно 50oС. Вторичный углеводородный газ подается через вход 222 вторичного углеводородного газа в теплообменник 208 вторичного углеводородного газа, где реформированный газ из линии 202 охлаждения реформированного газа предварительно нагревает вторичный углеводородный газ до температуры от приблизительно 300 до приблизительно 400oС и давления от приблизительно 250 до приблизительно 350 кПа. Соответственно, реформированный газ выходит из теплообменника 208 вторичного углеводородного газа при температуре от приблизительно 400 до приблизительно 500oС и давлении от приблизительно 250 до приблизительно 350 кПа. Вторичный углеводородный газ подается по линии 226 вторичного углеводородного газа во вторичный смеситель 220 горелки.
Вторичный воздух пламени и вторичный углеводородный газ полностью смешиваются во вторичном смесителе 220 горелки для формирования вторичной смеси горелки, предпочтительно имеющей молярный состав из от приблизительно 80 до приблизительно 90% азота, от приблизительно 5 до приблизительно 10% кислорода, приблизительно 5% негорючих компонентов и от приблизительно 3 до приблизительно 5% горючих компонентов. Молярное соотношение вторичного воздуха пламени и вторичного углеводородного газа во вторичной смеси горелки составляет от приблизительно 0,3:1 до приблизительно 0,5:1. Вторичная смесь горелки подается прямо из вторичного смесителя 220 горелки в узел 228 вторичной горелки, где вторичная смесь горелки воспламеняется для сгорания в зоне 230 пламени, связанной с узлом 228 вторичной горелкой. Вторичная смесь горелки находится под давлением от приблизительно 250 до приблизительно 350 кПа и при температуре от приблизительно 350 до приблизительно 450oС в узле 228 вторичной горелки перед перемещением в зону 230 пламени со скоростью от приблизительно 40000 до приблизительно 50000 м3/ч.
Зона 230 пламени является одной из двух зон во вторичной камере сгорания 232, при этом другой зоной является зона 234 окисления ниже по потоку от зоны 230 пламени. Вторичная камера сгорания 232 является котлом непрерывного действия, поддерживаемым под давлением от приблизительно 200 до приблизительно 300 кПа. Температура в зоне 230 пламени поддерживается в пределах от приблизительно 1000 до приблизительно 1300oС, обеспечивая сжигание там вторичной смеси горелки и получение вторичного газа горения.
Вторая часть вторичного воздуха, отделенная от первой части вторичного воздуха, является вторичным воздухом окисления, который выпускается из коллектора 216 вторичного воздуха по линии 236 вторичного воздуха окисления, имеющей размещенный в ней клапан 238 управления потоком вторичного воздуха окисления, и подается во вторичный смеситель 240 окисления. Линия 22 вторичной воды/пара, имеющая расположенный в ней клапан 244 управления потоком вторичной воды/пара, отводит вторую часть подаваемой воды или пара в качестве вторичной воды или пара во вторичный смеситель 240 окисления. Вторичной водой или паром является количество подаваемой воды или пара, оставшееся после удаления первичной воды или пара по линии 134 первичной воды/пара. Вторичный воздух окисления и вторичная вода или пар смешиваются во вторичном смесителе 240 окисления для формирования вторичной предварительной смеси и впрыскивания во вторичную камеру сгорания 232 ниже по потоку от зоны 230 пламени и выше по потоку от зоны 234 окисления. Вторичная предварительная смесь полностью смешивается со вторичным газом горения, образуя смесь окисления, которая течет в зону 234 окисления.
Температура зоны 234 окисления поддерживается в пределах от приблизительно 700 до приблизительно 1000oС для полного окисления смеси окисления, при этом вырабатывается отходящий газ, который выпускается из вторичной камеры сгорания 232 со скоростью от приблизительно 60000 до приблизительно 65000 кг/ч и подается в выходную линию 246 отходящего газа под давлением от приблизительно 200 до приблизительно 250 кПа и при температуре от приблизительно 700 до приблизительно 1000oС. Пример отходящего газа состоит из приблизительно 74% азота, 20% воды, 5% двуокиси углерода, 1% кислорода и следов моноокиси углерода и окислов азота. Вторичная камера сгорания 232 может быть снабжена катализатором для содействия идущим реакциям либо может быть свободна от каких бы то ни было катализаторов. В любом случае рабочие параметры вторичной камеры сгорания 232 выбираются в пределах компетенции специалиста так, чтобы при сжигании поданных туда газов образовывалось как можно больше двуокиси углерода и воды с одновременной минимизацией образования окислов азота и практически полным окислением любых органических загрязнителей, содержащихся в подаваемой воде или паре, входящих в систему 100 через вход 136 воды/пара.
Отходящий газ подается через выходную линию 246 отходящего газа во вторичную энерготурбину 248 и расширяется в ней для приведения в действие вторичной энерготурбины 248. Вторичная энерготурбина 248 механически связана со вторичным компрессором 250 посредством вращающегося вторичного вала 252, обеспечивая тем самым энергетические требования для приведения в действие вторичного компрессора 250. Расширенный отходящий газ выводится из вторичной энерготурбины 248 и переносится по выхлопной линии 254 к выхлопной трубе 256, где отходящий газ выводится из системы 100 и предпочтительно выдувается в атмосферу при почти атмосферном давлении и температуре от приблизительно 500 до приблизительно 600oС.
Реформированный газ, выпускаемый из водного сепаратора 204, подается по линии 258 всасывания реформированного газа во вторичный компрессор 250, где реформированный газ сжимается и затем возвращается через выход 156 реформированного газа из вторичного компрессора 250 для желательного конечного применения. Реформированный газ выходит из системы 100 через выход реформированного газа под давлением от приблизительно 700 до приблизительно 800 кПа и при температуре от приблизительно 150 до приблизительно 225oС.
Альтернативное третье выполнение третьей системы и третьего способа по настоящему изобретению описаны ниже со ссылками на фиг.3, на которой третья система в целом обозначена позицией 300. Третья система 300 практически идентична второй системе 100, однако третья система 300 модифицирует конфигурацию первой и второй газотурбинно-компрессорных установок для совместной обработки первичных и вторичных потоков углеводородного газа, как будет описано ниже. Компоненты третьей системы 300, соответствующие компонентам первой системы 10, обозначаются трехзначными ссылочными позициями, где первой цифрой числа является тройка, а две оставшиеся цифры идентичны ссылочной позиции соответствующей компоненты первой системы. Компоненты третьей системы 300, соответствующие компонентам второй системы 100, обозначаются трехзначными ссылочными позициями, где первой цифрой числа является четверка, а остальные две цифры идентичны ссылочной позиции соответствующей компоненты второй системы.
Система 300 имеет вход 312 воздуха, доставляющий подаваемый воздух во вспомогательный первичный компрессор 502 со скоростью от приблизительно 350000 до 360000 м3/ч, под давлением от приблизительно 75 до приблизительно 150 кПа и при температуре от приблизительно -30 до приблизительно 40oС. Подаваемый воздух предпочтительно является воздухом из окружающей атмосферы при нормальном давлении и нормальной температуре. Вспомогательный первичный компрессор 502 сжимает подаваемый воздух до промежуточного воздуха, имеющего давление от приблизительно 200 до приблизительно 300 кПа и температуру от приблизительно 100 до приблизительно 150oС. Промежуточный воздух вытесняется из вспомогательного первичного компрессора 502 в линию 504 промежуточного воздуха, которая ведет в первичный компрессор 314. Первичный компрессор 314 сжимает промежуточный воздух до первичного воздуха, имеющего давление от приблизительно 2500 до приблизительно 2600 кПа и температуру от приблизительно 500 до приблизительно 550oС. Первичный воздух вытесняется из первичного компрессора 314 в линию 316 первичного воздуха, которая ведет в коллектор 318 первичного воздуха.
В коллекторе 318 первичного воздуха первичный воздух разделяется на первую часть и вторую часть. Первой частью первичного воздуха является первичный воздух горения, составляющий большую массу всего первичного воздуха. Первичный воздух горения выводится из коллектора 318 первичного воздуха по линии 320 первичного воздуха горения и подается первичный смеситель 322 горелки со скоростью от приблизительно 255000 до приблизительно 265000 м3/ч. Вторая часть первичного воздуха является стравливаемым воздухом, который выпускается из коллектора 318 первичного воздуха по линии 324 стравливаемого воздуха, имеющей расположенный в ней клапан 326 управления потоком стравливаемого воздуха. Объемное соотношение первичного воздуха горения и стравливаемого воздуха находится в пределах от приблизительно 2:1 до приблизительно 3,3:1.
Система 300 далее содержит вход 328 первичного углеводородного газа, который доставляет первичный углеводородный газ из удаленного источника (не показан) в систему 300. Первичным углеводородным газом предпочтительно является встречающийся в природе несинтетический углеводородный газ, добываемый из подповерхностной формации, такой как природный газ, сопутствующий газ, содержащий азот и/или двуокись углерода, газ из угольных месторождений или газ, выделенный из океанических гидратов. Первичный углеводородный газ принимается через вход 328 первичного углеводородного газа со скоростью от приблизительно 75000 до приблизительно 80000 м3/ч, под давлением от приблизительно 2500 до приблизительно 2600 кПа и при температуре от приблизительно 5 до приблизительно 40oС. Отметим, что скорость потока первичного воздуха горения по линии 320 первичного воздуха горения является субстехиометрической по отношению к скорости потока первичного углеводородного газа через вход 328 первичного углеводородного газа. В частности, первичный воздух горения содержит только от приблизительно 35 до приблизительно 45% кислорода, необходимого для полного сгорания первичного углеводородного газа. Вход 328 первичного углеводородного газа ведет в коллектор 330 первичного углеводородного газа, который делит первичный углеводородный газ на первую часть и вторую часть. Первая часть первичного углеводородного газа является первичным газом горелки, составляя от приблизительно 25 до приблизительно 50% по объему от всего первичного углеводородного газа. Первая часть первичного углеводородного газа подается по линии 332 первичного газа горелки в первичный смеситель 322 горелки.
Линия 334 первичной воды/пара также ведет в первичный смеситель 322 горелки, опционно подавая в систему 300 либо первичную воду, либо первичный пар из удаленного источника (не показан). В случае, если исполнитель выбирает подачу в первичный смеситель 322 горелки первичной воды, подаваемая вода принимается в систему 300 со скоростью от приблизительно 10000 до приблизительно 40000 кг/ч через вход 336 воды/пара. Подаваемая вода находится обычно под давлением от приблизительно 75 до приблизительно 150 кПа и при температуре от приблизительно 5 до приблизительно 50oС. Подаваемая вода оказывается под давлением посредством встроенного в линию насоса 338, который перемещает первую часть подаваемой воды в качестве первичной воды в линию 334 первичной воды/пара со скоростью от приблизительно 10000 до приблизительно 13000 кг/ч, под давлением от приблизительно 2500 до приблизительно 3000 кПа и при температуре от приблизительно 5 до приблизительно 50oС.
В случае, если исполнитель выбирает подачу первичного пара в первичный смеситель 322 горелки, к пару применяются практически те же средства подачи, что и к воде. Однако из системы 300 исключается встроенный в линию насос 338. Первичный пар подается напрямую в первичный смеситель 322 горелки по линии 334 первичной воды/пара с практически такой же скоростью, что и вода, но под давлением от приблизительно 1500 до приблизительно 2500 кПа и при температуре от приблизительно 200 до приблизительно 250oС.
Первичный воздух горения, первичный газ горелки и, опционно, первичная вода или первичный пар полностью смешиваются в первичном смесителе 322 горелки для формирования первичной смеси горелки, предпочтительно имеющей молярный состав из от приблизительно 85 до приблизительно 90% воздуха, от приблизительно 5 до приблизительно 10% углеводородного газа и от приблизительно 5 до приблизительно 10% углеводородного газа и от приблизительно 0 до приблизительно 5% пара или воды, остаток составляет двуокись углерода и следы других соединений. Молярное соотношение первичного воздуха горения и первичного газа горелки в первичной смеси горелки является почти стехиометрическим и находится в пределах от приблизительно 7,5:1 до приблизительно 12:1. Первичная смесь горелки предпочтительно содержит от 20% недостатка до 20% избытка кислорода, требуемого для полного сгорания углеводородов в первичной смеси горелки. Первичная смесь горелки подается напрямую из первичного смесителя 322 горелки в узел 340 первичной горелки, где первичная смесь горелки воспламеняется для горения в зоне 342 горения, связанной с узлом 340 первичной горелки. Первичная смесь горелки находится под давлением от приблизительно 2500 до приблизительно 3000 кПа и при температуре от приблизительно 300 до приблизительно 400oС в узле 340 первичной горелки перед перемещением в зону 342 горения со скоростью от приблизительно 250000 до приблизительно 350000 м3/ч.
Зона 342 горения является одной из двух зон в первичной камере сгорания 344, при этом другой зоной является зона 346 риформинга, находящаяся ниже по потоку от зоны 342 горения. Первичная камера сгорания 344 является котлом непрерывного действия, обычно поддерживаемым при давлении от приблизительно 2500 до приблизительно 2100 кПа. Температура в зоне 342 горения поддерживается в пределах от приблизительно 1200 до приблизительно 2100oС, обеспечивая сжигание там первичной смеси горелки с получением первичного газа горения.
Вторая часть первичного углеводородного газа, отделенная от первой части первичного углеводородного газа в коллекторе 330 первичного углеводородного газа, является первичным охлаждающим газом, составляющим от приблизительно 50 до приблизительно 75% по объему от всего первичного углеводородного газа. Эта вторая часть впрыскивается через линию 348 первичного охлаждающего газа, имеющую размещенный в ней клапан 350 управления потоком первичного охлаждающего газа, в первичную камеру сгорания 344 ниже по потоку от зоны 342 горения, но выше по потоку от зоны 346 риформинга. Вторая часть первичного углеводородного газа полностью смешивается с первичным газом горения, образуя риформинговую смесь, которая течет в зону 346 риформинга. Зона 346 риформинга может содержать катализатор, способствующий идущим в ней эндотермическим реакциям риформинга, однако предпочтительно первичная камера сгорания 344 свободна от каких бы то ни было катализаторов, поскольку обычно катализаторы не требуются для ее эффективного действия.
В зоне 346 риформинга происходит существенное охлаждение риформинговой смеси в ходе эндотермических реакций риформинга, однако высокая температура зоны 342 горения из-за почти стехиометрического состава первичной смеси горелки поддерживает риформинговую смесь при существенно высокой температуре для активации последующих эндотермических реакций риформинга и для достижения термодинамического равновесия в зоне 346 риформинга. Соответственно в зоне 346 риформинга достигается значительное преобразование риформинговой смеси с образованием реформированного газа, содержащего водород и моноокись углерода в желательном соотношении. Пример молярного состава желательного реформированного газа составляет приблизительно 45% азота, 30% водорода, 15% моноокиси углерода, 3% двуокиси углерода и 7% воды, и менее 1% углеводородов. Конкретные условия по температуре, давлению и количественному составу в первичной камере сгорания могут выбираться в пределах вышеуказанных диапазонов в соответствии с настоящим изобретением и в соответствии с теорией, известной специалисту, для достижения заранее заданного соотношения водорода и моноокиси углерода в реформированном газе в зависимости от желательного конечного использования реформированного газа.
Реформированный газ перемещается из зоны 346 риформинга первичной камеры сгорания 344 и подается по линии 352 реформированного газа в первичную энерготурбину 354 со скоростью от примерно 400000 до примерно 500000 м3/ч, под давлением от приблизительно 2500 до приблизительно 3000 кПа и при температуре от приблизительно 900 до приблизительно 1000oС. Реформированный газ частично расширяется в первичной энерготурбине 354, которая механически связана с первичным компрессором 314 посредством вращающегося первичного вала 358, обеспечивая энергетические требования для приведения в действие первичного компрессора 314. После частичного расширения реформированный газ поступает по охлаждающей линии 402 реформированного газа через пару теплообменников 406 и 408, действующих нижеописанным способом для охлаждения реформированного газа до температуры от приблизительно 400 до приблизительно 550oС и давления от приблизительно 500 до приблизительно 600 кПа. Реформированный газ после этого выходит через выход 356 реформированного газа для желательного конечного использования.
Стравливаемый воздух подается по линии 324 стравливаемого воздуха, имеющей клапан 326 управления потоком стравливаемого воздуха, в теплообменник 406 стравливаемого воздуха, где реформированный газ из охлаждающей линии 402 реформированного газа предварительно нагревает стравливаемый воздух, формируя вторичный воздух, имеющий температуру от приблизительно 500 до приблизительно 600oС и давление от приблизительно 200 до приблизительно 300 кПа. Реформированный газ выходит из теплообменника 406 стравливаемого воздуха, соответственно, при температуре от приблизительно 650 до приблизительно 700oС и давлении от приблизительно 600 до приблизительно 650 кПа. Вторичный воздух подается по линии 414 вторичного воздуха в коллектор 416 вторичного воздуха, где вторичный воздух разделяется на первую часть и вторую часть. Первая часть вторичного воздуха является вторичным воздухом пламени, который выпускается из коллектора 416 вторичного воздуха по линии 418 вторичного воздуха пламени и подается во вторичный смеситель 420 горелки со скоростью от приблизительно 80000 до приблизительно 85000 м3/ч.
Система 300 далее имеет вход 422 вторичного углеводородного газа, поставляющего в систему 300 вторичный углеводородный газ из удаленного источника (не показан). Вторичным углеводородным газом является, предпочтительно, отработанный газ из несвязанного с данным способом процесса, содержащий непреобразованный водород и моноокись углерода и непреобразуемые углеводороды. К примеру, вторичный углеводородный газ может быть газообразным выхлопным продуктом процесса, использующего реформированный газ, полученный по настоящему способу. Примерный молярный состав желательного вторичного углеводородного газа находится в диапазоне от приблизительно 85 до приблизительно 90% азота, от приблизительно 1 до приблизительно 3% водорода, от приблизительно 1 до приблизительно 3% моноокиси углерода, от приблизительно 4 до приблизительно 5% двуокиси углерода, приблизительно 3% воды и от приблизительно 1 до приблизительно 3% метана и других углеводородов. Обычно вторичный углеводородный газ имеет относительно низкую теплотворную способность, значительно ниже, чем у первичного углеводородного газа, и содержит лишь от приблизительно 4 до приблизительно 10% горючих веществ.
Вторичный углеводородный газ принимается через вход 422 вторичного углеводородного газа со скоростью от приблизительно 225000 до приблизительно 250000 м3/ч, под давлением от приблизительно 200 до приблизительно 300 кПа и при температуре от приблизительно 5 до приблизительно 50oС. Вторичный углеводородный газ подается через вход 422 вторичного углеводородного газа в теплообменник 408 вторичного углеводородного газа, где реформированный газ из охлаждающей линии 402 реформированного газа предварительно нагревает вторичный углеводородный газ до температуры от приблизительно 300 до приблизительно 400oС и давления от приблизительно 200 до приблизительно 300 кПа. Соответственно реформированный газ выходит из теплообменника 408 вторичного углеводородного газа при температуре от приблизительно 450 до приблизительно 550oС и давлении от приблизительно 500 до приблизительно 600 кПа. Вторичный углеводородный газ подается по линии 426 вторичного углеводородного газа во вторичный смеситель 420 горелки.
Вторичный воздух пламени и вторичный углеводородный газ полностью перемешиваются во вторичном смесителе 420 горелки для формирования вторичной смеси горелки, предпочтительно имеющей молярный состав от приблизительно 80 до приблизительно 90% азота, от приблизительно 5 до приблизительно 10% кислорода, приблизительно 5% негорючих веществ и от приблизительно 3 до приблизительно 5% горючих веществ. Как таковое, молярное соотношение вторичного воздуха пламени и вторичного углеводородного газа во вторичной смеси горелки находится в пределах от приблизительно 0,3:1 до приблизительно 0,5:1. Вторичная смесь горелки подается напрямую из вторичного смесителя 420 горелки во вторичную горелку 428, где вторичная смесь горелки воспламеняется для горения в зоне 430 пламени, связанной со вторичной горелкой 428. Вторичная смесь горелки находится под давлением от приблизительно 200 до приблизительно 300 кПа и при температуре от приблизительно 350 до приблизительно 450oС во вторичной горелке 428 перед перемещением в зону 430 пламени со скоростью от приблизительно 300000 до приблизительно 350000 м3/ч.
Зона 430 пламени является одной из двух зон во вторичной камере сгорания 432, при этом другой зоной является зона 434 окисления, находящаяся ниже по потоку от зоны 430 пламени. Вторичная камера сгорания 432 является котлом непрерывного действия, обычно поддерживаемым под давлением от приблизительно 150 до приблизительно 250 кПа. Температура в зоне 430 пламени поддерживается в пределах от приблизительно 950 до приблизительно 1300oС, обеспечивая сжигание вторичной смеси горелки с образованием вторичного газа горения.
Вторая часть вторичного воздуха, отделенная от первой части вторичного воздуха, является вторичным воздухом окисления, который выпускается из коллектора 416 вторичного воздуха по линии 436 вторичного воздуха окисления, имеющей размещенный в ней клапан 438 управления потоком вторичного воздуха окисления, и подается во вторичный смеситель 440 окисления. Линия 442 вторичной воды/пара, имеющая размещенный в ней клапан 444 управления потоком вторичной воды/пара, отводит вторую часть подаваемой воды или пара в качестве вторичной воды или пара во вторичный смеситель 440 окисления. Вторичной водой или паром является количество подаваемой воды или пара, оставшееся после удаления из нее первичной воды или пара по линии 334 первичной воды/пара. Вторичный воздух окисления и вторичная вода или пар смешиваются во вторичном смесителе 440 окисления для образования вторичной предварительной смеси и впрыскивания во вторичную камеру сгорания 432 ниже по потоку от зоны 430 пламени и выше по потоку от зоны 434 окисления. Вторичная предварительная смесь полностью смешивается со вторичным газом горения, формируя смесь окисления, текущую в зону 434 окисления.
Температура в зоне 434 окисления поддерживается в пределах от приблизительно 700 до приблизительно 1000oС для полного окисления смеси окисления с выработкой отходящего газа, который выпускается из вторичной камеры сгорания 432 со скоростью от приблизительно 400000 до приблизительно 450000 кг/ч и подается в выходную линию 446 отходящего газа, под давлением от приблизительно 150 до приблизительно 250 кПа и при температуре от приблизительно 700 до приблизительно 1000oС. Пример отходящего газа имеет молярный состав из приблизительно 78% азота, 16% воды, 5% двуокиси углерода, 1% кислорода и следов моноокиси углерода и окислов азота. Вторичная камера сгорания 432 может быть снабжена катализатором, способствующим идущим в ней реакциям либо может быть свободна от каких бы то ни было катализаторов. В любом случае рабочие параметры вторичной камеры сгорания 432 выбираются в рамках компетенции специалиста с тем, чтобы добиться практически полного сгорания газов, поданных в камеру сгорания, с образованием двуокиси углерода и воды, при одновременной минимизации образования окислов азота, и для практически полного окисления любых органических загрязнителей, содержащихся в подаваемой воде или паре, входящих в систему 300 через вход 336 воды/пара.
Отходящий газ подается через выходную линию 446 отходящего газа во вторичную энерготурбину 448 и частично расширяется в ней для приведения вторичной энерготурбины 448 в действие. Вторичная энерготурбина 448 механически связана со вспомогательным первичным компрессором 502 посредством вращающегося вспомогательного первичного вала 506, тем самым обеспечивая энергетические требования для приведения в действие вспомогательного первичного компрессора 502. Частично расширенный выходящий газ выпускается из вторичной энерготурбины 448 со скоростью от приблизительно 400000 до приблизительно 500000 кг/ч и переносится по вспомогательной линии 508 отходящего газа во вспомогательную вторичную энерготурбину 510, под давлением от приблизительно 100 до приблизительно 200 кПа и при температуре от приблизительно 600 до приблизительно 900oС. Отходящий газ дополнительно расширяется во вспомогательной вторичной энерготурбине 510 и после этого выводится из системы 300 через выхлопную линию 454, которая предпочтительно ведет в атмосферу. Вспомогательная вторичная энерготурбина 510 имеет вспомогательный вторичный вал 512 для подачи энергии альтернативному энергопотребителю (не показан), такому как электрогенератор.
Для специалиста очевидно, что в рамках настоящего изобретения возможны многие альтернативы для выбора отдельных компонент, используемых в описанных здесь объединенных газотурбинно-компрессорных установках. В частности, наиболее практично использовать коммерчески доступные модули газотурбинных двигателей. Коммерчески доступные модули газотурбинных двигателей обычно используются для выработки электроэнергии или для приведения в действие промышленных компрессоров и насосов. Коммерчески доступные модули газотурбинных двигателей используются также в таких применениях, как энергообеспечение кораблей. Как таковые, коммерческие узлы доступны во многих конструкциях и разных габаритов. Преимущественно следует выбирать такую конструкцию и размеры, которые в наибольшей степени удовлетворяют частным требованиям определенного применения. Таким образом, в системах 10, 100 и 300 размер газотурбинных модулей предпочтительно выбирается на основании объема газа, доступного для переработки в продукты. Отметим также, что разные варианты коммерческих узлов газотурбинных двигателей работают при значительно различающихся давлениях и с разной эффективностью. Соответственно преимущества имеет такой выбор рабочих условий давления, который наилучшим образом использует конкретные габариты и конструкцию модулей газотурбинных установок.
Хотя выше были описаны и показаны предпочтительные выполнения изобретения, понятно, что в рамках настоящего изобретения могут быть сделаны альтернативные выполнения и модификации, такие как предложенные здесь и другие.
Изобретение относится к системе и способу преобразования углеводородного газа в реформированный газ, содержащий водород и моноокись углерода. Способ осуществляют путем сжатия подаваемого воздуха в первичном компрессоре для получения первичного воздуха с последующим разделением его на две части, первая часть которого представляет собой первичный воздух горения. Первичный углеводородный газ перед подачей в камеру смешения разделяют на две части. Первую часть сжигают с первичным воздухом горения в зоне горения первичной камеры сгорания с образованием первичного газа горения, а вторую часть первичного углеводородного газа подают в зону риформинга с последующим реагированием в ней с первичным газом горения с образованием реформированного газа. Реформированный газ приводит в действие первичные энерготурбину и компрессор. Часть первичного воздуха подается также вместе с вторичным углеводородным газом во вторичную камеру сгорания, производя отходящий газ, приводящий в действие вторичные энерготурбину и компрессор для сжатия газа. Во втором выполнении система практически идентична первому выполнению, но компрессоры и энерготурбины переконфигурированы и система содержит вспомогательную вторичную энерготурбину. Способ выполняется так же, как при первом выполнении, с получением реформированного газа и приведением в действие первичной энерготурбины и компрессора. Отходящий газ приводит в действие вторичную энерготурбину, однако вторичная энерготурбина приводит в действие вспомогательный первичный компрессор, сжимающий подаваемый воздух перед первичным компрессором энергетически самодостаточным образом. Отходящий газ дополнительно приводит в действие вспомогательную вторичную энерготурбину для обеспечения дополнительной энергии для альтернативных энергопотребителей. Система и способ преобразования углероводородного газа в реформированный водородосодержащий газ являются более рентабельными по сравнению с обычными системами преобразованиями углеводородного газа из-за сниженных капиталовложений в оборудование и затрат на работу, а также из-за увеличенного выхода продукта. 4 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил.
| US 4833170 A, 23.05.1989 | |||
| RU 94030235 A1, 10.07.1996 | |||
| US 3868817 А, 27.12.1973. |
