Настоящее изобретение относится к энергетической установке (системе), а более конкретно к энергоустановке с низким уровнем выбросов, работающей на органическом топливе и имеющей улучшенные показатели термодинамического коэффициента полезного действия и борьбы с загрязнением окружающей среды.
В энергоустановках, например в энергоустановках, работающих на органическом топливе, для генерирования тепла органическое топливо подвергают воспламенению и сжиганию (окислению или сгоранию) внутри реакционной камеры (камеры сгорания) в контролируемых условиях. Тепло передают циркулирующей жидкости, например воде, которая проходит между охлаждающими трубами, находящимися внутри или в непосредственной близости от реакционной камеры, в результате чего генерируется водяной пар. Затем для генерирования электроэнергии водяной пар направляют на паровую турбину. В энергоустановках, включенных в объединенный цикл комплексной газификации (IGCC) и работающих на твердом топливе, процесс сжигания органического топлива разбивают на множественные стадии, среди которых первой стадией является, как правило, стадия частичного окисления (газификации). На последующих стадиях полученный газ сжигают в газовых турбинах и паровых котлах. Термодинамический коэффициент полезного действия и борьба с загрязнением окружающей среды были и остаются важными факторами, принимаемыми во внимание при конструировании энергоустановок, работающих на органическом топливе. Охрана природы и рациональное природопользование, растущие цены на топливо и постоянно становящиеся все более жесткими допустимые нормы загрязнения окружающей среды являются лишь некоторыми факторами, которые требуют более совершенного, более чистого и более эффективного превращения органического топлива в электроэнергию. Вэнергоустановках (энергосистемах) достигнуты относительно высокие уровни коэффициента полезного действия и борьбы с загрязнением, однако некоторые проблемы еще имеются. Так, например, поскольку становится все труднее соблюдать нормы содержания твердых частиц в загрязненном стоке, для их удаления в энергоустановках требуются, как правило, использование различных дополнительных процессов и элементов оборудования. Это приводит к удорожанию и усложнению системы, а упомянутые процессы и элементы оборудования требуют, как правило, подвода значительной мощности, что, в свою очередь, приводит к существенным паразитным потерям мощности и уменьшению коэффициента полезного действия. Кроме того, несмотря на то, что в энергоустановках иногда используются экономайзеры и аналогичное оборудование для регенерации теплосодержания, имеющегося в газах продуктов сгорания, в энергоустановках не пытаются регенерировать скрытую теплоту испарения таких газов, поскольку в условиях рабочего режима таких установок температуры конденсации таких газов слишком низки для осуществления эффективной регенерации тепла. В частности, в системе, в которой во время сгорания выделяется относительно большое количество воды, находящейся в газообразном состоянии, невозможность регенерировать какую-либо значительную часть такой скрытой теплоты испарения может привести к значительному снижению термодинамического коэффициента полезного действия.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание комплексной энергоустановки (энергосистемы), которая могла бы в качестве неотъемлемой части общего процесса регенерировать скрытую теплоту испарения из образующейся воды, отделять кислые газы, удалять химические загрязняющие вещества, например ртуть и твердые частицы, конденсировать и регенерировать жидкий диоксид углерода.
Дополнительной целью настоящего изобретения является создание энергоустановки (энергосистемы), которая имела бы улучшенные показатели термодинамического коэффициента полезного действия.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, которая имела бы улучшенные показатели борьбы с загрязнением окружающей среды.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, которая обладала бы повышенной эксплуатационной гибкостью.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, которая позволяла бы регенерировать, по меньшей мере, часть скрытой теплоты испарения воды, образующейся во время окисления (сгорания).
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, которая могла бы работать на повышенном давлении, что сделало бы ее, с точки зрения термодинамики, практичной для регенерации, по меньшей мере, части скрытой теплоты испарения воды, образующейся во время окисления (сгорания).
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, в которой можно было бы использовать полезные свойства диоксида углерода.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, в которой можно было бы использовать оборотную регенерированную воду, образующуюся во время окисления (сгорания), с целью снижения затрат на оборудование и уменьшения износа оборудования.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, в которой можно было бы использовать двухступенчатый процесс пошагового повышения давления охлаждающего агента с целью снижения затрат на теплообменное оборудование и уменьшение износа теплообменника.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, которая могла бы обеспечивать эффективное извлечение диоксида углерода для последующего использования или продажи.
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, которая могла бы обеспечивать более совершенный процесс удаления твердых частиц из продуктов окисления (сгорания).
Еще одной дополнительной целью настоящего изобретения является создание системы описанного выше типа, которая могла бы обеспечивать эффективное частичное окисление (газификацию) твердого и жидкого видов органического топлива.
Для достижения этих и других целей и преимуществ изобретения предложена и раскрыта энергоустановка (энергосистема) повышенного давления, которая обеспечивает процесс чистого и эффективного окисления (сжигания) топлива, например органического топлива, следующим образом. Топливо и окислитель подают в реакционную камеру, где это топливо подвергают окислению при абсолютном давлении, которое предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм (1 фунт-сила = 6,89476 кПа) до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно - по существу, в пределах от приблизительно 850 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Через реакционную камеру пропускают охлаждающий агент в теплообменной связи с топливом и окислителем. Давление в реакционной камере подбирают таким образом, чтобы оно превышало или было равно давлению диоксида углерода при равновесном состоянии системы жидкость - пар при температуре, при которой энергоустановка может отводить тепло в окружающую среду. Продукты сгорания могут быть направлены из камеры в теплообменник, а вода, образующаяся в продуктах сгорания, может быть подвергнута конденсации в теплообменнике при давлении, которое предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно - по существу, в пределах от приблизительно 850 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Часть конденсированной воды может быть возвращена на повторный цикл путем ее подачи в поток продуктов сгорания на входе в теплообменник. Кроме того, перед подачей в реакционную камеру охлаждающий агент может быть пропущен через теплообменник в виде двухступенчатого процесса, благодаря которому охлаждающий агент подается в теплообменник при давлении, находящемся, по существу, в пределах от приблизительно 300 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм, а в реакционную камеру - при давлении, находящемся, по существу, в пределах от приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 5000 фунт-сила/кв. дюйм.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенное выше краткое описание, а также дополнительные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения более полно поясняются ссылкой на следующее ниже подробное описание предпочтительных на данный момент вариантов осуществления настоящего изобретения, носящих, тем не менее, чисто иллюстративный характер, которое ведется со ссылкой на сопровождающие его чертежи, на которых представлены:
фиг. 1 - схематическое изображение энергосистемы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и работающей на органическом топливе, которое содержит минимальное количество золы или золообразующих веществ или не содержит их совсем;
фиг. 2 - таблица, в которой приведен предпочтительный гипотетический ряд условий эксплуатации для системы, показанной на фиг. 1;
фиг. 3 - таблица, в которой приведен предпочтительный гипотетический массовый расход в системе, показанной на фиг. 1;
фиг. 4А и 4В - таблицы, в которых приведен предпочтительный гипотетический поток энергии в системе, показанной на фиг. 1;
фиг. 5 - схематическое изображение альтернативного варианта выполнения энергосистемы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и работающей на топливе, которое содержит золу или золообразующие вещества;
фиг. 6 - таблица, в которой приведен предпочтительный гипотетический ряд условий эксплуатации для системы, показанной на фиг. 5;
фиг. 7 - таблица, в которой приведен предпочтительный гипотетический массовый расход в системе, показанной на фиг. 5;
фиг. 8 - таблицы, в которых приведен предпочтительный гипотетический поток энергии в системе, показанной на фиг. 5;
фиг. 9 - схематическое изображение альтернативного варианта выполнения энергосистемы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;
фиг. 10 - схематическое изображение альтернативного варианта выполнения энергосистемы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и позволяющей использовать жидкий диоксид углерода для генерирования электроэнергии для воздухоразделительной установки;
фиг. 11 - схематическое изображение части альтернативного варианта выполнения энергосистемы, выполненной в соответствии с настоящим изобретением и позволяющей обеспечивать газификацию твердого или жидкого топлива для получения чистого синтез-газа, который может быть использован для генерирования электроэнергии в стандартной энергоустановке с циклом Ренкина или в энергоустановке с комбинированным циклом.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Как показано на фиг. 1, ссылочной позицией 100 обозначена, в общем, комплексная энергосистема, предложенная в соответствии с настоящим изобретением, в которой сочетают сжигание органического топлива и эффективное производство электроэнергии - при одновременном обеспечении регенерации жидкого диоксида углерода и удаления кислого газа и выбросов твердых частиц. Как показано на фиг. 1 и 2, давление жидкого кислорода, нагнетаемого из резервуара 202 насосом 204, доводят до уровня давления в системе. Для системы, показанной на фиг. 1, давление в системе находится предпочтительно в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно, по существу, в пределах от приблизительно 850 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Этот диапазон давлений позволяет использовать стандартные конструкции оборудования и охватывает критическое давление диоксида кислорода (1071 фунт-сила/кв. дюйм или 7,382 МПа). На более поздних стадиях работы системы, когда воду и диоксид углерода последовательно конденсируют, этот диапазон повышенного давления в системе позволяет конденсировать диоксид углерода при наиболее высокой возможной температуре, а воду конденсировать при полезной температуре при одновременной оптимизации давления в системе и сведении к минимуму общих капитальных затрат. Полезной температурой для конденсации образующейся воды является температура, достаточно высокая для передачи теплоты испарения образующейся воды охлаждающему агенту стандартными теплообменниками.
Поток 101 жидкого кислорода, находящегося под давлением, равным давлению в системе, пропускают через теплообменник 206, где кислород испаряется, а его температура повышается практически до температуры окружающей среды. Холодопроизводительность испаряющегося кислорода направляют на повторный цикл в установку для производства кислорода. Газообразный кислород в потоке 102 дополнительно нагревают в теплообменнике 208 и затем смешивают с газообразным диоксидом углерода, извлекаемым из потока 106. Эту смесь кислорода с диоксидом углерода в потоке 107 используют в качестве окислителя в реакционной камере (камере сгорания) 210 высокого давления. Смешивание диоксида кислорода с кислородом на входе в реакционную камеру имеет ряд преимуществ. Так, например, это помогает регулировать температуры сгорания путем снижения пиковых концентраций кислорода в реакционной камере. Несмотря на то, что окислитель описан выше на примере смеси кислорода с диоксидом углерода, следует понимать, что может быть использовано широкое разнообразие окислителей. Так, например, окислитель может представлять собой просто воздух или воздух, обогащенный кислородом, смеси кислорода в азоте, диоксиде углерода или других инертных газах или, что наиболее предпочтительно, кислород из воздухоразделительной установки, объемная доля кислорода в составе которой составляет более 85 %.
Давление топлива, например природного газа, подаваемого из транспортного трубопровода 108, доводят до уровня давления в системе с помощью газового компрессора 212, после чего топливо пропускают в виде потока 109 через теплообменник 214, где его подвергают предварительному нагреву. Предварительно нагретый газ объединяют с окислителем в реакционной камере высокого давления для генерирования тепла. Тепло в реакционной камере передается охлаждающему агенту, например воде, подводимому в потоке 144, который превращается в водяной пар в виде выходящего потока 145.
Охлаждающий агент, например котловая вода и водяной пар, циркулирует в виде потоков 139-148. Вода хранится при температуре окружающей среды или близкой к ней и, по существу, при атмосферном давлении в резервуаре 216 для котловой воды. В данном случае температура окружающей среды является самой низкой температурой, при которой энергоустановка может в плановом порядке отводить тепло в окружающую среду. Воду в виде потока 139 направляют из резервуара 216 для котловой воды к насосу 218 при температуре и давлении окружающей среды. Режим этого потока устанавливают на работу при температуре окружающей среды с тем, чтобы обеспечить наибольшую движущую силу на паровой турбине и, таким образом, извлечь наибольшую мощность из этого процесса. Насос 218 повышает давление воды до промежуточного значения, которое предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 300 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно составляет приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм. Использование промежуточного давления в качестве части двухступенчатого процесса пошагового повышения давления для охлаждающего агента дает ряд преимуществ. Так, например, промежуточное давление позволяет ввести поток 113 под давлением 1276 фунт-сила/кв. дюйм в теплообменник 224 со стороны его трубчатой части и поток 142 под давлением от 300 до 600 фунт-сила/кв. дюйм в теплообменник 224 со стороны его кожуха. Давление со стороны кожуха теплообменника 224, установленное на уровне промежуточного давления, равного приблизительно 300-600 фунт-сила/кв. дюйм, гораздо ниже, чем типичное давление водяного пара высокого давления порядка 3500 фунт-сила/кв. дюйм. Это упрощает конструкцию теплообменника 224 и способствует увеличению срока службы системы. Следует понимать, что подача котловой воды в виде потока 142, пропускаемого через теплообменник 224, может быть осуществлена в широком диапазоне значений давления. Это давление выбирают таким образом, чтобы оно превышало давление водонасыщенности при той температуре, которая имеет место на выходе теплообменника 224.
Насос 218 направляет воду в виде потока 140 в экономайзер 220 при температуре окружающей среды и промежуточном давлении. Из экономайзера предварительно нагретую воду пропускают в виде потока 141 через теплообменник 222 и в виде потока 142 через теплообменник 224. Из теплообменника 224 предварительно нагретую котловую воду в жидком состоянии при промежуточном давлении направляют в виде потока 143 к насосу 226. Насос 226 повышает давление предварительно нагретой котловой воды до уровня, который предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 5000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно до приблизительно 3500 фунт-сила/кв. дюйм. Котловую воду в виде потока 144 пропускают через реакционную камеру в теплообменной связи со сжигаемым топливом, в результате чего сжигаемое топливо отдает свое тепло сгорания воде и водяному пару в котловых трубах. В предпочтительном варианте выполнения теплопередающая поверхность имеет площадь, достаточную для того, чтобы продукты сгорания в виде потока 111 выходили из реакционной камеры при температуре приблизительно 900 К (1160°F). Котловую воду превращают в водяной пар и в виде потока 145 направляют на паровую турбину 228 для генерирования электроэнергии перед его подачей в виде потока 146 в экономайзер 220 и в виде потока 147 в конденсатор 230. Конденсированную воду направляют в виде потока 148 в резервуар 216 для котловой воды с возможностью осуществления ее дальнейшей циркуляции в виде потоков 139-148.
Продукты сгорания (окисления) выпускают из реакционной камеры 210 в виде потока 111 и пропускают через каталитический реактор 232. Продукты сгорания содержат диоксид углерода, моноксид углерода, избыточный кислород, оксиды серы, оксиды азота, разжижающие газы, например, такие как азот и инертные газы, образующуюся воду в виде водяного пара и зольные частицы, если присутствуют золообразующие вещества. Для достижения конкретных желаемых результатов в каталитический реактор 232 могут быть подобраны конкретные катализаторы. Катализаторы окисления могут быть использованы для полного окисления моноксида углерода, оксидов серы и оксидов азота в диоксид углерода, триоксид серы и диоксид азота соответственно. Для восстановления оксидов азота в азот может быть применено избирательное каталитическое восстановление (катализаторы для избирательного каталитического восстановления) с добавлением аммония. Для достижения желаемого эффекта могут быть использованы различные слои катализатора. Реагенты, например аммиак, направляют в виде потока 112 в каталитический реактор 232. Обработанные газы в потоке 113 смешивают с оборотной образующейся водой из потока 123 для образования потока 114 на входе в теплообменник 224. Скорость рециркуляции потока 123 образующейся воды подбирают таким образом, чтобы не вся вода, а ее некоторая часть испарялась и снижала температуру потока 114, комбинированного потока оборотной образующейся воды и продуктов сгорания до температуры водонасыщенности при давлении, равном давлению в системе.
Смесь оборотной образующейся воды и отработавших газов направляют в виде потока 114 в теплообменник 224 со стороны его трубчатой части. Теплообменник 224 передает тепло от продуктов сгорания, проходящих со стороны трубчатой части теплообменника в виде потоков 114 и 115, охлаждающему агенту, пропускаемому в виде потоков 142 и 143 со стороны кожуха теплообменника. Поскольку поток 114 находится под давлением, равным давлению в системе, температура водонасыщенности при этом давлении достаточно высока для того, чтобы обеспечить полезную теплопередачу и регенерацию скрытой теплоты испарения образующейся воды. Давление в системе подбирают таким образом, чтобы вода конденсировалась из продуктов сгорания при температуре, которая предпочтительно превышает 450°F (232,2°С), а более предпочтительно превышает 500°F (260,0°С).
В известных энергоустановках, работающих при атмосферном давлении или близком к нему, теплота энергии испарения образующейся воды в процессе сжигания топлива не может быть экономично регенерирована, поскольку температура водонасыщенности (температура водонасыщенности при равновесном состоянии системы пар - жидкость) составляет приблизительно 200-220°F (93,3-104,4°С), что слишком мало. Так, например, котловая вода имела бы, как правило, температуру порядка 80°F (26,7°С), а количество энергии, которое котловая вода могла бы поглотить, ограничено изменением энтальпии между 80°F (26,7°С) и примерно 212°F (100°С), если бы был возможен совершенный теплообмен. Практически совершенный теплообмен невозможен с экономичной точки зрения, и требуется значительная термодвижущая сила для достижения полезной теплопередачи. Это означает, что количество скрытой тепловой энергии воды, присутствующей в отработавших газах, которая могла бы практически поглотиться котловой водой, значительно меньше изменения энтальпии между 80°F (26,7°С) и примерно 212°F (100°С). При типичном давлении в системе известных энергосистем вода конденсируется при низкой температуре, и невозможностьэкономичной регенерации теплоты испарения образующейся воды обусловлена просто недостаточной термодвижущей силой и недостаточным уровнем повышения температуры охлаждающей жидкости.
Заявляемая энергоустановка имеет другие преимущества, связанные с теплообменником 224. Так, например, использование рециркуляции образующейся воды в виде потока 123 снижает пиковые температуры, претерпеваемые теплообменником 224, при одновременном обеспечении передачи всего или, по существу, всего полезного тепла при температуре водонасыщенности. Коэффициент теплопередачи конденсированной воды, как правило, превышает аналогичный параметр движущегося газа. Это позволяет снизить затраты на оборудование и уменьшить износ оборудования. Кроме того, по мере протекания процесса конденсации воды, находящейся в газообразном состоянии, в теплообменнике 224 кислые газы и твердые частицы будут инициировать зарождение центров образования капельного конденсата, что, в свою очередь, будет способствовать газоочистительному действию. Этот фактор особенно полезен в отношении аналогичных систем, работающих на таких видах топлива, как нефть или уголь, так как эти виды топлива обусловливают наличие, как правило, больших уровней кислых газов и твердых частиц.
В соответствии с предпочтительным режимом работы теплообменник 224 конструируют и эксплуатируют таким образом, чтобы конденсированная вода в потоке 115 представляла собой переохлажденную жидкость и чтобы температура диоксида углерода в потоке 115 превышала критическую температуру диоксида углерода. Большую часть воды в потоке 115 удаляют при помощи каплеотбойника (отделителя жидкости) 234 в виде потока 117 конденсата. Молярная концентрация диоксида углерода в конденсированной образующейся воде в потоке 117 составляет приблизительно 2%. Газообразный диоксид углерода выходит из каплеотбойника 234 в виде потока 116. Поток 116 пропускают через теплообменник 214 для предварительного нагрева природного газа в потоке 109. Газообразный диоксид углерода выходит из теплообменника 214 в виде потока 119, после чего его пропускают через теплообменник 236 с целью выпаривания разбавленного диоксида углерода из потока 105.
Оборотную образующуюся воду и воду, образующуюся в каплеотбойнике 234, направляют на насос 238 с образованием потока 120, который разбивают на потоки 118 и 123. Воду в потоке 118 пропускают через теплообменники 222 и 240, после чего пропускают через перепускной клапан 242. Оборотная образующаяся вода в потоке 123 продолжает рециркуляцию для объединения с продуктами сгорания в потоке 113 на входе в теплообменник 224. Для регулирования рН и концентрации других химических продуктов в зависимости от обстоятельств может быть использован поток 122. Такие химические продукты могут быть использованы для обработки конденсированных кислот. После достижения точки росы кислоты триоксид серы, SO3, вступает в реакцию с водой с образованием серной кислоты, которая конденсируется в жидкую фазу. NO2 может вступить в реакцию с подходящим восстановителем, например муравьиной кислотой или гидроксиламином, с образованием газообразного азота в соответствии с гидротермальными реакциями
4NH2OH+NO2>2½N2+6Н2О
или
4НСООН+2NO2>N2+4Н2O+4СO2
Другой потенциальной реакцией является применение щавелевой кислоты и гидроксиламина для превращения оксидов азота в нитрат аммония без последующего образования моноксида азота
НООССООН+2NH2OH+2NO2>2NН4NО3+2СO2
Отделение оксидов серы и азота от основного газового потока осуществляют как неотъемлемую и одновременную часть работы заявляемой системы. Регенерация теплоты испарения образующейся воды и конденсация диоксида углерода составляют две отдельные операции по изменению фазового состояния, которые обеспечивают движущую силу и предоставляют широкие возможности для превращения и отделения оксидов азота и серы.
Хорошо известно, что содержащиеся в газах частицы размером от 0,1 до 2,5 мкм быстро становятся центрами конденсации насыщенных газов. Мелкие взвешенные частицы уменьшают степень перенасыщения, необходимого для зарождения центров конденсации, до пренебрежительно малых уровней. В заявляемой системе используются две операции по изменению фазового состояния, включающие конденсацию насыщенных газов, воды и СО2. Следовательно, предполагается, что все частицы, включающие и самые мелкие частицы субмекрометрового диапазона, будут отделены от газа и извлечены в фазе конденсации.
Теплообменник 236 продолжает процесс охлаждения диоксида углерода в потоке 119. Поток 127 направляют из теплообменника 236 на каплеотбойник 244, где любую растворенную воду отделяют и сбрасывают в виде потока 128 конденсата. Газообразный диоксид углерода в потоке 129 пропускают через теплообменник 246, где он, по существу, конденсируется и сжижается. Конденсация диоксида углерода позволяет обеспечить полезный газоочистительный эффект, заключающийся в дополнительном удалении частиц из газа. Охлаждающий агент (охлаждающая вода) в потоках 153 и 154, использованный в теплообменнике 246, может быть снова использован в конденсаторе 230.
Критической температурой диоксида углерода является 88°F (31°С). Ниже этой температуры диоксид углерода может быть конденсирован в жидкость. Энергоустановки и большинство химических установок отдают тепло приемникам тепла в окружающей природной среде. Часто такими приемниками тепла являются озера, реки или океаны. Так, например, установка может забирать воду из озера, реки или океана для подвода охлаждающей жидкости к теплообменникам, например, 230 и 246. Такая вода может быть забрана и возвращена на больших скоростях, в результате чего повышение температуры в воде незначительно. Приемником тепла в окружающей природной среде может служить также процесс выпаривания воды с воздухом. В наиболее предпочтительном варианте выполнения устройства и системы, в которых используется или которые содержат заявляемое изобретение, будут отдавать тепло такому приемнику тепла, каким является охлаждающая жидкость, протекающая по трубопроводам 153 и 154, показанным на фиг. 1, при температуре, которая ниже критической температуры диоксида углерода. Указанный приемник тепла с температурой, которая ниже критической температуры диоксида углерода, позволяет осуществлять непосредственную конденсацию находящегося под давлением при сверхкритической температуре (газообразного) диоксида углерода с целью получения жидкого диоксида углерода.
Сжиженный диоксид углерода в потоке 130 может быть затем направлен в охладитель затопленного типа 248, где часть потока может быть подвергнута мгновенному испарению с целью обеспечения охлаждения остальной части системы. Неконденсируемые газы, например, такие как азот и избыточный кислород, также удаляют из охладителя затопленного типа 248 продувом и отводят в виде потоков 131 и 135. Полученный и оборотный жидкий диоксид углерода пропускают в виде потока 132 через теплообменник 208 и направляют далее в виде потоков 137 и 138 в транспортное средство 250 и хранилище 252 соответственно. Следует понимать, что необязательно конденсировать весь диоксид углерода в потоке 129. Вместо этого часть газообразного диоксида углерода может быть возвращена на повторный цикл для смешивания с кислородом на входе в реакционную камеру 210. Это позволяет уменьшить объем работы теплообменника и количество отводимого тепла.
Как показано на фиг 5, ссылочной позицией 300 обозначена комплексная система, выполненная в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте выполнения топливо представляет собой твердое природное топливо, содержащее золу или золообразующие вещества, например битуминозный уголь. При незначительной модификации оборудования для подачи топлива это же вариант выполнения может быть использован и для жидких видов топлива, содержащих золу или золообразующие вещества, например, такие как тяжелая и сырая нефть. Кроме того, в качестве сырья может быть использован газ, не подвергавшийся сероочистке. В системе для генерирования энергии и получения серной кислоты или сульфатной соли могут сжигаться СО, CS2 и Н2S. Кроме того, на выходе из катализатора может быть включен процесс Клауса, позволяющий осуществлять повторный ввод H2S и каталитическое превращение SOx и H2S в Н2О и серу, находящуюся в расплавленном или газообразном состоянии.
Топливо, содержащее золу или золообразующие вещества, например уголь, направляют в шаровую мельницу 402 или устройство аналогичного назначения, в котором твердое топливо подвергается размельчению. Из шаровой мельницы твердое топливо направляют к насосу 404 приемного бункера и затем в виде потока 301 при давлении, равном давлению в системе или близкому к нему, в смеситель 406. Для системы, показанной на фиг. 5, давление в системе предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно в пределах от приблизительно 870 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Этот диапазон давлений позволяет использовать стандартные конструкции оборудования и охватывает критическое давление диоксида кислорода (1071 фунт-сила/кв. дюйм или 7,382 МПа). На более поздних стадиях работы системы, когда воду и диоксид углерода последовательно конденсируют, этот диапазон давлений в системе позволяет конденсировать диоксид углерода при наиболее высокой возможной температуре. Конденсация воды достигается при полезной температуре при одновременной оптимизации давления в системе и сведении к минимуму общих капитальных затрат. Несмотря на то, что предложенная система описана на примере использования угля в качестве топлива, следует понимать, что в этой системе могут быть использованы и другие виды топлива, например топочный мазут. Конечно, если установка спроектирована для работы только на топочном мазуте, шаровую мельницу 402 и насос 404 приемного бункера можно не применять, а вместо них использовать насос впрыскивания топочного мазута под высоким давлением.
Как более подробно описано ниже, диоксид углерода в виде потока 304 направляют в смеситель. В смеситель могут подаваться также вода, поверхностно-активные вещества, модификаторы рН и другие химические продукты. После смешивания смесь топлива с диоксидом углерода направляют в виде потока 302 к насосу 408 перед ее подачей в виде потока 307 в реакционную камеру (камеру сгорания) 410. Смесь топлива с диоксидом углерода может быть также объединена с окислителем на входе в реакционную камеру (фиг. 9). В случае использования топочного мазута смеситель можно применять, а можно и не применять, что зависит от свойств топочного мазута. Возможно, было бы целесообразно приготовить эмульсию топочного мазута с жидким диоксидом кислорода перед подачей в реакционную камеру. Вода и поверхностно-активные вещества могли бы потенциально способствовать образованию эмульсий топочного мазута, обладающих низкой вязкостью и адекватной стабильностью. Необходимость в применении смесителя может отпасть, особенно в случае использования топочного мазута, поскольку, когда смесь диоксида углерода с углем или эмульсия на основе диоксида углерода и топочного мазута входит в реакционную камеру и воспламеняется, быстрое расширение и фазовое изменение диоксида углерода обеспечивает возникновение сильного механического сдвига и дисперсионных сил, которые способствуют смешиванию.
Жидкий диоксид углерода хранится в резервуаре-хранилище 412. Жидкий диоксид углерода в виде потока 303 подают из резервуара-хранилища 412 к насосу 414, который повышает давление жидкого диоксида углерода до уровня, равного давлению в системе. На выходе из насоса 414 жидкий диоксид углерода направляют в виде потоков 304 и 308 в смеситель 406 и теплообменник 416 соответственно. В предпочтительном варианте выполнения диоксид углерода в виде потока 304 направляют в смеситель в количестве, достаточном для обеспечения в смесителе наличия, по существу, равных масс диоксида углерода и угля. В предпочтительном варианте выполнения диоксид углерода в потоке 308 первоначально представляет собой поток жидкого диоксида углерода. С целью достижения хорошей степени смешивания с газообразным кислородом в потоке 306 целесообразно испарять диоксид углерода в потоке 308 до его смешивания с кислородом в потоке 306. Это может быть осуществлено путем пропускания потока 308 через теплообменник 416 перед тем, как диоксид углерода в виде потока 309 будет направлен в поток 306 для смешивания с кислородом с целью образования потока 310.
Жидкий кислород хранится в резервуаре-хранилище 418. Сжатый газообразный кислород может быть получен путем повышения давления жидкого кислорода с последующим его нагревом и выпариванием до температуры приблизительно 240 К в противоточном теплообменнике (не показан). Холодный жидкий кислород может быть использован с тем, чтобы способствовать охлаждению технологических потоков в воздухоразделительной установке. Сжатый газообразный кислород в виде потока 305 затем нагревают в теплообменнике 422, который применяется для охлаждения образующегося диоксида углерода. Сжатый кислород выходит из теплообменника 422 в виде потока 306, готового к смешиванию с диоксидом углерода в потоке 309. Количество кислорода в потоке 306 определяют на основе скорости подачи топлива и ожидаемого количества продуктов сгорания. В предпочтительном варианте выполнения скорости подачи топлива и кислорода контролируют с целью обеспечения незначительного избытка кислорода над точным стехиометрическим соотношением между кислородом и топливом. До впрыска в реакционную камеру газообразный кислород в потоке 306 смешивают с газообразный диоксидом углерода в потоке 309 для снижения пиковой концентрации кислорода в реакционной камере. В предпочтительном варианте выполнения используют равные массы кислорода в потоке 306 и диоксида углерода в потоке 309.
В реакционной камере потоки топлива и окислителя объединяют в ряд ступеней сжигания с обедненной подачей окислителя для регулирования пиковых температур и теплопередачи. Даже, несмотря на разбавление большими количествами диоксида углерода, парциальное давление кислорода в реакционной камере будет довольно высоким вблизи входных сопел. Воспламенитель (не показан) может представлять собой блок из огнеупорного материала с электрическим нагревом, расположенный в непосредственной близости от подаваемых потоков топлива и окислителя, или химический продукт, например триэтилалюминий, который самовоспламеняется при соприкосновении с кислородом. Если отсутствует азот, газообразные NOx не образуются. Если азот присутствует, могут образовываться NOx. Помимо прочего, продукты сгорания (окисления) содержат газообразные продукты сгорания, включая образующуюся воду в виде водяного пара и частицы золы. Продукты сгорания выходят из реакционной камеры в виде потока 311, который пропускают через теплообменник 424, причем на этой стадии теплообменник 424 отводит тепло от потока 311 и передает его потоку 323, который образует часть замкнутого контура котловой воды и водяного пара.
Охлаждающий агент, например котловая вода и водяной пар, циркулирует в виде потоков 321-327. Вода хранится при температуре и давлении окружающей среды в резервуаре 426 для котловой воды. Воду в виде потока 321 направляют из резервуара 426 для котловой воды к насосу 428 при температуре и давлении окружающей среды. Режим этого потока устанавливают на работу при температуре окружающей среды с тем, чтобы обеспечить наибольшую движущую силу на паровой турбине и, таким образом, извлечь наибольшую мощность из этого процесса. Насос 428 повышает давление воды до промежуточного значения, которое предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 300 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно составляет приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм. Использование промежуточного давления в качестве части двухступенчатого процесса пошагового повышения давления для охлаждающего агента дает ряд преимуществ. Использование промежуточного давления позволяет ввести поток 312 под давлением 1276 фунт-сила/кв. дюйм в теплообменник 424 со стороны его трубчатой части и поток 322 под давлением от 300 до 600 фунт-сила/кв. дюйм в теплообменник 424 со стороны его кожуха. Давление со стороны кожуха теплообменника 424, установленное на уровне промежуточного давления, равного приблизительно 300-600 фунт-сила/кв. дюйм, гораздо ниже, чем типичное давление водяного пара высокого давления порядка 3500 фунт-сила/кв. дюйм. Это упрощает конструкцию теплообменника 424 и способствует увеличению срока службы системы.
Из теплообменника 424 предварительно нагретую котловую воду в жидком состоянии при промежуточном давлении направляют в виде потока 323 к насосу 430. Насос 430 повышает давление предварительно нагретой котловой воды до уровня, который предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 5000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно до приблизительно 3500 фунт-сила/кв. дюйм. Котловую воду пропускают через реакционную камеру 410 в теплообменной связи со сжигаемым топливом, в результате чего сжигаемое топливо отдает свое тепло сгорания воде и водяному пару в котловых трубах. В предпочтительном варианте выполнения теплоперадающая поверхность имеет площадь, достаточную для того, чтобы продукты сгорания в виде потока 311 выходили из реакционной камеры 410 при температуре приблизительно 820 К (1016°F). Котловую воду превращают в водяной пар и в виде потока 325 направляют на паровую турбину 432 для генерирования электроэнергии перед его подачей в виде потока 326 в конденсатор 434. Конденсированную воду направляют в виде потока 327 в резервуар 426 для котловой воды с возможностью осуществления ее дальнейшей циркуляции в виде потоков 321-327.
Что касается ранее упомянутого теплообменника 424, то та его часть, которая предназначена для извлечения тепла из отработавших газов, выполнена с возможностью работы при давлении, которое находится предпочтительно в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно, по существу, в пределах от приблизительно 850 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Давление подбирают таким образом, чтобы вода конденсировалась из продуктов сгорания при температуре, которая предпочтительно превышает 450°F (232,2°С), а более предпочтительно превышает 500°F (260,0°С). Одним из существенных преимуществ работы реакционной камеры и теплообменника при повышенном давлении является то, что появляется возможность регенерации скрытой теплоты испарения воды в продуктах сгорания. При повышенном давлении в системе температура водонасыщенности паров воды (системы пар - жидкость) также повышается до полезной температуры (предпочтительно свыше 450°F (232,2°С), а более предпочтительно превышает 500°F (260,0°С)). В известных энергоустановках, работающих при атмосферном давлении или близком к нему, теплота энергии испарения образующейся воды в процессе сжигания топлива не может быть экономично регенерирована, поскольку температура водонасыщенности (температура водонасыщенности при равновесном состоянии системы пар - жидкость) составляет приблизительно 200-220°F(93,3-104,4°С), что слишком мало. Так, например, котловая вода имела бы, как правило, температуру порядка 80°F(26,7°С), а количество энергии, которое котловая вода могла бы поглотить, ограничено изменением энтальпии между 80°F (26,7°С) и примерно 212°F (100°С), если бы был возможен совершенный теплообмен. Практически совершенный теплообмен не возможен с экономичной точки зрения, и требуется значительная термодвижущая сила для достижения полезной теплопередачи. Это означает, что количество скрытой тепловой энергии воды, присутствующей в отработавших газах, которая могла бы практически поглотиться котловой водой, значительно меньше изменения энтальпии между 80°F(26,7°С) и примерно 212°F(100°С). При типичном давлении в системе известных энергосистем вода конденсируется при низкой температуре, и невозможность экономичной регенерации теплоты испарения образующейся воды обусловлена просто недостаточной термодвижущей силой и недостаточным уровнем повышения температуры охлаждающей жидкости.
Как было упомянуто выше, следует понимать, что вместо угля может быть использован топочный мазут, причем в этом случае образовывалось бы меньшее количество золы и воды, а количество тепла, регенерированного из скрытой теплоты испарения образующейся воды, было бы больше. Для компенсации этого необходимо было бы регулировать промежуточное давление.
Конденсация воды и кислых газов в теплообменнике 424 обладает еще одним преимуществом. Во время конденсации воды и кислых газов имеет место отделение от газа природных частиц. По мере охлаждения насыщенных газов ниже температуры водонасыщенности образование капель будет происходить на зольных частицах, находящихся во взвешенном состоянии в газовом потоке. Этот эффект газоочистки с изменением фазового состояния при конденсации позволяет повысить эффективность отделения зольных частиц и способность системы к удалению твердых частиц. Теплообменник 424 выполнен и работает таким образом, чтобы температура потока 313 на выходе превышала критическую температуру диоксида углерода. Это обеспечивает более эффективное отделение конденсированной воды и кислых газов от диоксида углерода и улучшает качество образующегося и забираемого диоксида углерода.
Охлажденные продукты сгорания, включая газообразный диоксид углерода и конденсированную воду, направляют в виде потока 313 из теплообменника 424 в каплеотбойник 436. В каплеотбойнике 436 жидкую воду, растворенные кислоты и зольные частицы отделяют от потока газообразного диоксида углерода. Отделенные воду, кислоты и золу в виде потока 314 направляют из каплеотбойника 436 в гидроциклон 438, где золу отделяют от воды. Золу и часть воды в виде потока 316 направляют из гидроциклона в охладитель 450. Охлажденную воду и золу из охладителя 450 в виде потока 317 объединяют с потоками 334, 332 и 335 конденсированной воды из каплеотбойников 444 и 458 с образованием потока 318, который направляют к устройствам 452 для снижения давления. Для обработки вытекающего потока 318 золы и воды могут быть использованы разделительные устройства 454, например фильтры или системы обратного осмоса. Часть очищенной воды из гидроциклона 438 направляют в виде потока 315 к насосу 440 и затем нагнетают в виде потока 320 назад в поток 312 на входе в теплообменник 424. Для регулирования рН потока оборотной воды в поток 319 этой оборотной воды могут быть введены добавки, например аммиак, гидроксид натрия или гашеная известь. Преимущество пуска этой воды на повторный цикл заключается в немедленном охлаждении потока 311. После впрыскивания воды температура в потоке 311 упала бы до температуры воды при равновесном состоянии системы жидкость - пар или близкой к ней (570 К, 566°F) при давлении, равном давлению в системе. Энергия теплосодержания в газах сгорания, имеющая место в реакционной камере при 1016°F, преобразовалась бы в скрытую теплоту в водяных парах при значительно более низкой температуре. В заявляемой системе эта температура составляет 566°F (296,7°С). Проектировать и конструировать теплообменник 424 для пиковой температуры, равной приблизительно 566°F (296,7°С), и давления на кожух, равного приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм, значительно легче, чем теплообменник для пиковой температуры и давления, равных приблизительно 1016°F (820 К) и 1276 фунт-сила/кв. дюйм соответственно. Помимо преимуществ, связанных со снижением температуры, конденсация паров воды дает превосходные характеристики теплопередачи, а дополнительный водяной поток помогает гарантировать, что зольные частицы непрерывно вымываются из теплообменника.
Газовый поток 328, выходящий из каплеотбойника 436, может содержать диоксид углерода и азот. В нем будут присутствовать также кислород и некоторое количество NO и SO2. NO и SO2 окисляют остаточным кислородом в каталитическом слое 456 с получением NO2 и SO3. Поток 329 находится в теплообменной связи с потоком 308 в теплообменнике 416. По мере охлаждения потока 329 с образованием потока 330 из газовой фазы конденсируется дополнительное количество воды. Полностью окисленные разновидности NO2 и SO3 сразу же отделяются водой и преобразуются в регенерируемые вещества. Эту воду и кислоту регенерируют в потоке 332. Регенерированные NO2 и SO3 разделяют на потоки 331 и 332 в каплеотбойнике 458. Охлажденные диоксид углерода, азот и кислород в виде потока 331 направляют в конденсатор 442.
Для регулирования рН и концентрации других химических продуктов в зависимости от обстоятельств может быть использован поток 343. Такие химические продукты могут быть использованы для обработки конденсированных кислот. После достижения точки росы кислоты триоксид серы, SO3, вступает в реакцию с водой с образованием серной кислоты, которая конденсируется в жидкую фазу. NO2 может вступить в реакцию с подходящим восстановителем, например муравьиной кислотой или гидроксиламином, с образованием газообразного азота в соответствии с гидротермальными реакциями
4NН2ОН+NO2>2½N2+6Н2О
или
4HCOOH+2NO2>N2+4H2O+4CO2
Другой потенциальной реакцией является применение щавелевой кислоты и гидроксиламина для превращения оксидов азота в нитрат аммония без последующего образования моноксида азота
НООССООН+2NH2OH+2NO2>2NН4NО3+2СO2
Отделение оксидов серы и азота от основного газового потока осуществляют как неотъемлемую и одновременную часть работы заявляемой системы. Регенерация теплоты испарения образующейся воды и конденсация диоксида углерода составляют две отдельные операции по изменению фазового состояния, которые обеспечивают движущую силу и предоставляют широкие возможности для превращения и отделения оксидов азота и серы.
В альтернативном варианте выполнения, представленном на фиг. 9, воду, золу и конденсированную кислоту в потоке 512 просто охлаждают и удаляют из системы при помощи редукционных устройств или других устройств для снижения давления. Высока вероятность того, что оксиды кальция и магния, содержащиеся в угольной золе, прореагируют с серной кислотой в воде с образованием сульфатов кальция и магния. Образующаяся при этом вода будет обработана и сброшена или использована в качестве охлаждающей воды.
Что касается ранее упомянутого варианта выполнения, приведенного на фиг. 5, то газообразный диоксид углерода выходит из каплеотбойника 458 в виде потока 331. Поток 331 направляют в конденсатор 442, где диоксид углерода подвергают, по существу, конденсации и сжижению. Сжиженный диоксид углерода в потоке 333 может быть затем направлен в охладитель затопленного типа 444, где часть потока может быть подвергнута мгновенному испарению для обеспечения охлаждения остальной части потока. В предпочтительном варианте выполнения мгновенному испарению подвергают 20 % потока диоксида углерода. При мгновенном испарении жидкий диоксид углерода будет осуществлять охлаждение в результате эффекта расширения Жуль-Томпсона. Этот охлаждающий эффект может быть использован для охлаждения остальной части жидкого диоксида углерода в потоке 336. Неконденсируемые газы, например, такие как азот, избыточный кислород и аргон, также удаляют из охладителя затопленного типа 248 продувом и отводят в виде потока 337. При наличии такого продува специалистам должно быть понятно, что нет необходимости применять чистый кислород. Вместо него в системе могут быть использованы 90 - 96% кислорода, образуемого устройствами для адсорбции колебаний давления, или может быть использован просто воздух или воздух, обогащенный кислородом. Полученный и оборотный жидкий диоксид углерода пропускают в виде потока 336 через теплообменник 422 и направляют далее в виде потока 338 к насосу 446, который направляет диоксид углерода в виде потоков 341 и 340 в хранилище 412 и транспортное средство 448 соответственно. Следует понимать, что необязательно конденсировать весь диоксид углерода в потоке 331. Вместо этого часть газообразного диоксида углерода может быть возвращена на повторный цикл для смешивания с кислородом на входе в реакционную камеру 410. Это позволяет уменьшить объем работы теплообменника и количество отводимого тепла.
Возможный вариант использования избыточного жидкого диоксида углерода приведен на фиг. 10. Избыточный жидкий диоксид углерода может быть использован для обеспечения движущей энергии, необходимой для получения жидкого кислорода. В данном варианте выполнения жидкий диоксид углерода направляют из резервуара-хранилища 812 в виде потока 751 к насосу 814, откуда он выходит под давлением, превышающим его критическое давление (7,382 МПа или 1071 фунт-сила/кв. дюйм). Затем диоксид углерода под высоким давлением пропускают в виде потока 752 через теплообменник 816, где он нагревается отходящей теплотой до температуры, превышающей его критическую температуру. Поскольку критическая температура диоксида углерода такая низкая (304,19 К или 87,5°F), для превращения жидкого диоксида углерода в газообразный диоксид углерода может быть использована отходящая теплота. Это тепло может исходить от различных частей энергоустановки или представлять собой тепло, генерируемое воздушным и кислородным компрессорами 817 в воздухоразделительной установке. Затем этот газообразный диоксид углерода под высоким давлением направляют на турбину 820 с целью генерирования движущей энергии для приведения в действие компрессоров 817 в воздухоразделительной установке. Это процесс может быть многоступенчатым с дополнительным нагревом диоксида углерода на промежуточных стадиях. Израсходованный диоксид углерода может быть сброшен в атмосферу через канал 822, а образовавшийся жидкий кислород может быть направлен в виде потока 753 через весовое устройство воздухоразделительной установки 824, выпускной канал 825 и насос 826 в резервуар-хранилище 818. Такой подход позволяет использовать превосходные природные свойства диоксида углерода.
Выравнивание графика нагрузки при экспорте электроэнергии достигается изменением количества электроэнергии, направляемой на получение кислорода. В суточном цикле, во время периодов низкого потребления электроэнергии, большую часть выходной мощности установки отводят на получение жидкого кислорода. Во время периодов пикового потребления электроэнергии используют сохраненный жидкий кислород, а в воздухоразделительную установку отводят меньшую часть электроэнергии, вырабатываемой энергоустановкой.
Вышеизложенное предполагает внесение и других модификаций, изменений и эквивалентных замен, а в некоторых случаях некоторые признаки изобретения могут быть использованы без соответствующего использования других признаков. Так, например, рециркуляция воды, например, в потоках 120, 123 и 315, необязательно должна использоваться или же может использоваться в связи с другими конструктивными решениями. Кроме того, двухступенчатый процесс пошагового повышения давления охлаждающего агента в потоках 139 - 144, 321-324 и 521-524 необязательно должен использоваться или может использоваться в связи с другими конструктивными решениями. Далее, расположение теплообменников может варьироваться в широких пределах, и к конкретным теплообменникам могут быть направлены разнообразные потоки, что относится к любому количеству конструктивных решений. Помимо того, система может быть использована с объединением или без объединения диоксида углерода с топливом, кислородом или воздухом на входе в реакционную камеру или внутри реакционной камеры. Далее, следует понимать, что необязательно использовать забор и отделение диоксида углерода, как и необязательно использовать забор и отделение воды. Точно так же, необязательно использовать избирательное каталитическое восстановление или каталитическое окисление. Кроме того, следует понимать, что все примеры и количественные значение и диапазоны, например, такие как температура и давление, приведены в чисто иллюстративных целях и не направлены на ограничение объема изобретения. Следовательно, предполагается, что прилагаемую формулу изобретения следует толковать в широком смысле и в соответствии с объемом изобретения.
Как показано на фиг. 11, ссылочной позицией 900 обозначена комплексная система, выполненная в соответствии с альтернативным вариантом осуществления настоящего изобретения. В этом варианте выполнения топливо представляет собой твердое природное топливо, содержащее золу или золообразующие вещества, например битуминозный уголь. При незначительной модификации оборудования для подачи топлива это же вариант выполнения может быть использован и для жидких видов топлива, содержащих золу или золообразующие вещества, например, такие как тяжелая и сырая нефть. Топливо частично окисляют (газифицируют) для получения энергии, содержащей синтез-газ. В процессе получения синтез-газа используют стехиометрическое количество кислорода, что, таким образом, требует меньшего количества окислителя, чем это могло бы понадобиться при полном сжигании,
Топливо, содержащее золу или золообразующие вещества, например уголь, направляют в шаровую мельницу 1002 или устройство аналогичного назначения, в котором твердое топливо подвергается размельчению. Из шаровой мельницы твердое топливо направляют к насосу 1004 приемного бункера и затем в виде потока 901 при давлении, равном давлению в системе или близкому к нему, в смеситель 1006. Для системы, показанной на фиг. 11, давление в системе предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно в пределах от приблизительно 870 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Этот диапазон давлений позволяет использовать стандартные конструкции оборудования и охватывает критическое давление диоксида кислорода (1071 фунт-сила/кв. дюйм или 7,382 МПа). На более поздних стадиях работы системы, когда воду и диоксид углерода последовательно конденсируют, этот диапазон давлений в системе позволяет конденсировать диоксид углерода при наиболее высокой возможной температуре. Конденсация воды достигается при полезной температуре при одновременной оптимизации давления в системе и сведении к минимуму общих капитальных затрат. Несмотря на то, что предложенная система описана на примере использования угля в качестве топлива, следует понимать, что в этой системе могут быть использованы и другие виды топлива, например, такие как топочный мазут. Конечно, если установка спроектирована для работы только на топочном мазуте, шаровую мельницу 1002 и насос 1004 приемного бункера можно не применять, а вместо них использовать насос впрыскивания топочного мазута под высоким давлением.
Как более подробно описано ниже, диоксид углерода в виде потока 904 направляют в смеситель. В смеситель могут подаваться также вода, поверхностно-активные вещества, модификаторы рН и другие химические продукты. После смешивания смесь топлива с диоксидом углерода направляют в виде потока 902 к насосу 1008 перед ее подачей в виде потока 907 в реакционную камеру (камеру сгорания) 1010. Смесь топлива с диоксидом углерода может быть также объединена с окислителем на входе в реакционную камеру (фиг. 9). В случае использования топочного мазута смеситель можно применять, а можно и не применять, что зависит от свойств топочного мазута. Возможно было бы целесообразно приготовить эмульсию топочного мазута с жидким диоксидом кислорода перед подачей в реакционную камеру. Вода и поверхностно-активные вещества могли бы потенциально способствовать образованию эмульсий топочного мазута, обладающих низкой вязкостью и адекватной стабильностью. Необходимость в применении смесителя может отпасть, особенно в случае использования топочного мазута, поскольку, когда смесь диоксида углерода с углем или эмульсия на основе диоксида углерода и топочного мазута входит в реакционную камеру и воспламеняется, быстрое расширение и фазовое изменение диоксида углерода обеспечивает возникновение сильного механического сдвига и дисперсионных сил, которые способствуют смешиванию.
Жидкий диоксид углерода хранится в резервуаре-хранилище 1012. Жидкий диоксид углерода в виде потока 903 подают из резервуара-хранилища 1012 к насосу 1014, который повышает давление жидкого диоксида углерода до уровня, равного давлению в системе. На выходе из насоса 1014 жидкий диоксид углерода направляют в виде потоков 904 и 908 в смеситель 1006 и теплообменник 1016 соответственно. В предпочтительном варианте выполнения диоксид углерода в виде потока 904 направляют в смеситель в количестве, достаточном для обеспечения в смесителе наличия, по существу, равных масс диоксида углерода и угля. В предпочтительном варианте выполнения диоксид углерода в потоке 908 первоначально представляет собой поток жидкого диоксида углерода. С целью достижения хорошего смешивания с газообразным кислородом в потоке 906 целесообразно испарять диоксид углерода в потоке 908 до его смешивания с кислородом в потоке 906. Это может быть осуществлено путем пропускания потока 908 через теплообменник 1016 перед тем, как диоксид углерода в виде потока 909 будет направлен в поток 906 для смешивания с кислородом с целью образования потока 910.
Жидкий кислород хранится в резервуаре-хранилище 1018. Сжатый газообразный кислород может быть получен путем повышения давления жидкого кислорода с последующим его нагревом и выпариванием до температуры приблизительно 240 К в противоточном теплообменнике (не показан). Холодный жидкий кислород может быть использован с тем, чтобы способствовать охлаждению технологических потоков в воздухоразделительной установке. Сжатый газообразный кислород в виде потока 905 затем нагревают в теплообменнике 1022, который применяется для охлаждения образующегося диоксида углерода. Сжатый кислород выходит из теплообменника 1022 в виде потока 906, готового к смешиванию с диоксидом углерода в потоке 909. Количество кислорода в потоке 906 определяют на основе скорости подачи топлива и ожидаемого количества продуктов сгорания. В предпочтительном варианте выполнения для обеспечения стехиометрического соотношения между топливом и кислородом, необходимым для оптимальной газификации топлива, регулируют скорости подачи топлива и кислорода. Перед впрыскиванием в реакционную камеру (камеру сгорания) 1010 поток 906 газообразного кислорода смешивают с потоком 909 газообразного диоксида углерода для снижения давления в реакционной камере. В предпочтительном варианте выполнения используют равные массы кислорода в потоке 906 и диоксида углерода в потоке 909.
В реакционной камере 1010 потоки топлива и окислителя объединяют в ряд ступеней сжигания с обедненной подачей окислителя для регулирования пиковых температур и теплопередачи. Даже, несмотря на разбавление большими количествами диоксида углерода, парциальное давление кислорода в реакционной камере будет довольно высоким вблизи входных сопел. Воспламенитель (не показан) может представлять собой блок из огнеупорного материала с электрическим нагревом, расположенный в непосредственной близости от подаваемых потоков топлива и окислителя, или химический продукт, например триэтилалюминий, который самовоспламеняется при соприкосновении с кислородом. Если отсутствует азот, газообразные NOx не образуются. Если азот присутствует, могут образовываться NOx. Помимо прочего, продукты частичного сгорания (окисления) и реакций конверсии водяного газа содержат газообразные продукты сгорания, например, такие как моноксид углерода, водород, диоксид углерода, метан и образующаяся вода в виде водяного пара, а также частицы золы. Продукты частичного сгорания (газификации) выходят из реакционной камеры в виде потока 911, который пропускают через теплообменник 1024, причем на этой стадии теплообменник 1024 отводит тепло от потока 911 и передает его потоку 923, который образует часть замкнутого контура котловой воды и водяного пара.
Охлаждающий агент, например котловая вода и водяной пар, циркулирует в виде потоков 921-927. Вода хранится при температуре и давлении окружающей среды в резервуаре 1026 для котловой воды. Воду в виде потока 921 направляют из резервуара 1026 для котловой воды к насосу 1028 при температуре и давлении окружающей среды. Режим этого потока устанавливают на работу при температуре окружающей среды с тем, чтобы обеспечить наибольшую движущую силу на паровой турбине и, таким образом, извлечь наибольшую мощность из этого процесса. Насос 1028 повышает давление воды до промежуточного значения, которое предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 300 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно составляет приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм. Использование промежуточного давления в качестве части двухступенчатого процесса пошагового повышения давления для охлаждающего агента дает ряд преимуществ. Использование промежуточного давления позволяет ввести поток 912 под давлением 1276 фунт-сила/кв. дюйм в теплообменник 1024 со стороны его трубчатой части и поток 922 под давлением от 300 до 600 фунт-сила/кв. дюйм в теплообменник 1024 со стороны его кожуха. Давление со стороны кожуха теплообменника 1024, установленное на уровне промежуточного давления, равного приблизительно 300 - 600 фунт-сила/кв. дюйм, гораздо ниже, чем типичное давление водяного пара высокого давления порядка 3500 фунт-сила/кв. дюйм. Это упрощает конструкцию теплообменника 1024 и способствует увеличению срока службы системы.
Из теплообменника 1024 предварительно нагретую котловую воду в жидком состоянии при промежуточном давлении направляют в виде потока 923 к насосу 1030. Насос 1030 повышает давление предварительно нагретой котловой воды до уровня, который предпочтительно находится, по существу, в пределах от приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 5000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно до приблизительно 3500 фунт-сила/кв. дюйм. Котловую воду пропускают через реакционную камеру 1010 в теплообменной связи со сжигаемым топливом, в результате чего сжигаемое топливо отдает свое тепло сгорания воде и водяному пару в котловых трубах. В предпочтительном варианте выполнения теплоперадающая поверхность имеет площадь, достаточную для того, чтобы продукты частичного сгорания в виде потока 911 выходили из реакционной камеры 1010 при температуре приблизительно 820 К (1016°F). Котловую воду превращают в водяной пар и в виде потока 925 направляют на паровую турбину, в котел или на энергоустановку с комбинированным циклом 1032 для генерирования электроэнергии перед его подачей в виде потока 926 в конденсатор 1034. Конденсированную воду направляют в виде потока 927 в резервуар 1026 для котловой воды с возможностью осуществления ее дальнейшей циркуляции в виде потоков 921-927.
Что касается ранее упомянутого теплообменника 1024, то та его часть, которая предназначена для извлечения тепла из отработавших газов, выполнена с возможностью работы при давлении, которое находится предпочтительно в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм, а более предпочтительно, по существу, в пределах от приблизительно 850 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Давление подбирают таким образом, чтобы вода конденсировалась из продуктов сгорания при температуре, которая предпочтительно превышает 550°F (287,8°С), а более предпочтительно превышает 500°F (260,0°C). Одним из существенных преимуществ работы реакционной камеры и теплообменника при повышенном давлении является то, что появляется возможность регенерации скрытой теплоты испарения воды в продуктах сгорания. При повышенном давлении в системе температура водонасыщенности паров воды (системы пар - жидкость) также повышается до полезной температуры (предпочтительно свыше 550°F (287,8°C), а более предпочтительно превышает 500°F (260,0°C)). В известных энергоустановках, работающих при атмосферном давлении или близком к нему, теплота энергии испарения образующейся воды в процессе сжигания топлива не может быть экономично регенерирована, поскольку температура водонасыщенности (температура водонасыщенности при равновесном состоянии системы пар - жидкость) составляет приблизительно 200-220°F (93,3-104,4°С), что слишком мало. Так, например, котловая вода имела бы, как правило, температуру порядка 80°F(26,7°С), а количество энергии, которое котловая вода могла бы поглотить, ограничено изменением энтальпии между 80°F(26,7°C) и примерно 212°F(100°C), если бы был возможен совершенный теплообмен. Практически совершенный теплообмен невозможен с экономичной точки зрения, и требуется значительная термодвижущая сила для достижения полезной теплопередачи. Это означает, что количество скрытой тепловой энергии воды, присутствующей в отработавших газах, которая могла бы практически поглотиться котловой водой, значительно меньше изменения энтальпии между 80°F (26,7°C) и примерно 212°F (100°C). При типичном давлении в системе известных энергосистем вода конденсируется при низкой температуре, и невозможность экономичной регенерации теплоты испарения образующейся воды обусловлена просто недостаточной термодвижущей силой и недостаточным уровнем повышения температуры охлаждающей жидкости.
Как было упомянуто выше, следует понимать, что вместо угля может быть использован топочный мазут, причем в этом случае образовывалось бы меньшее количество золы и воды, а количество тепла, регенерированного из скрытой теплоты испарения образующейся воды, было бы больше. Для компенсации этого необходимо было бы регулировать промежуточное давление.
Конденсация воды и кислых газов в теплообменнике 1024 обладает еще одним преимуществом. Во время конденсации воды и кислых газов имеет место отделение от газа природных частиц. По мере охлаждения насыщенных газов ниже температуры насыщения образование капель будет происходить на зольных частицах, находящихся во взвешенном состоянии в газовом потоке. Этот эффект газоочистки с изменением фазового состояния при конденсации позволяет повысить эффективность отделения зольных частиц и способность системы к удалению твердых частиц. Теплообменник 1024 выполнен и работает таким образом, чтобы, температура потока 913 на выходе превышала критическую температуру диоксида углерода, аммиака, сернистого водорода, карбонилсульфида, дисульфида углерода и моноксида углерода. Это обеспечивает более эффективное отделение конденсированной воды и серосодержащих газов из синтез-газа и улучшает качество синтез-газа и образующегося и забираемого диоксида углерода.
Охлажденный синтез-газ (продукты частичного сгорания), включая газообразный диоксид углерода, аммиак, моноксид углерода, метан, сернистый водород, карбонилсульфид, дисульфид углерода и конденсированную воду, направляют в виде потока 913 из теплообменника 1024 в каплеотбойник 1036. В каплеотбойнике 1036 жидкую воду, растворенные кислоты и зольные частицы отделяют от потока синтез-газа. Отделенные воду, кислоты и золу в виде потока 914 направляют из каплеотбойника 1036 в гидроциклон 1038, где золу отделяют от воды. Золу и часть воды в виде потока 916 направляют из гидроциклона в охладитель 1050. Оттуда охлажденную воду и золу в виде потоков 917 и 918 направляют на разделительные устройства, например фильтры 1052 или системы обратного осмоса 1053, и в каплеотбойник 1054. Высокосернистые газы, извлеченные из сточных вод, возвращают для обработки в установку Клауса 1055. Другую часть воды из гидроциклона направляют в виде потока 915 к насосу 1040 и затем нагнетают в виде потока 920 назад в поток 911 на входе в теплообменник 1024. Для регулирования рН потока оборотной воды в поток 919 этой оборотной воды могут быть введены добавки, например кислород, аммиак, гидроксид натрия или гашеная известь. Преимущество пуска этой воды на повторный цикл заключается в немедленном охлаждении потока 911. После впрыскивания воды температура в потоке 911 упала бы до температуры воды при равновесном состоянии системы жидкость - пар или близкой к ней (570 К, 566°F) при давлении, равном давлению в системе. Энергия теплосодержания в газах сгорания, имеющая место в реакционной камере при 1016°F (820 К), преобразовалась бы в скрытую теплоту в водяных парах при значительно более низкой температуре. В заявляемой системе эта температура составляет 566°F (296,7°C). Проектировать и конструировать теплообменник 1024 для пиковой температуры, равной приблизительно 566°F (296,7°С), и давления на кожух, равного приблизительно 600 фунт-сила/кв. дюйм, значительно легче, чем теплообменник для пиковой температуры и давления, равных приблизительно 1016°F (820 K) 1276 фунт-сила/кв. дюйм соответственно. Помимо преимуществ, связанных со снижением температуры, конденсация паров воды дает превосходные характеристики теплопередачи, а дополнительный водяной поток помогает гарантировать, что зольные частицы непрерывно вымываются из теплообменника.
Газовый поток 928, выходящий из каплеотбойника 1036, может содержать синтез-газ, диоксид углерода и азот. Синтез-газ может содержать кислород, метан, NH3, NO, H2S, COS, CS2 и потенциально SO2. COS и CS2 восстанавливают реакцией с водородом в каталитическом слое 1056 с получением CH4, Н2О и H2S. Каталитический слой может быть также использован для проведения реакции конверсии водяного газа для превращения моноксида углерода и воды в диоксид углерода и водород. Поток 929 находится в теплообменной связи с потоком 908 в теплообменнике 1016. Поток 943 может быть использован для регулирования рН и других химикатов, если это требуется. Такие добавляемые химикаты могут быть использованы для воздействия на конденсированные кислоты и содержащие серу газы. По мере охлаждения потока 929 с образованием потока 930 из газовой фазы конденсируется дополнительное количество воды. При значениях температуры ниже 100°F (37,8°С) и давления выше 600 фунт-сила/кв. дюйм H2S, COS и CS2 могут конденсироваться в жидкость. Часть H2S сразу же отделяется водой и преобразуется в регенерируемые вещества. Эту воду и растворенный и конденсированный кислый газ регенерируют в потоке 932. Конденсированные и регенерированные NH3, H2S, COS и CS2 разделяют на потоки 931 и 932 в каплеотбойнике 1058. Охлажденные диоксид углерода, моноксид углерода, метан, азот и водород в виде потока 931 направляют в конденсатор 1042.
Отделение серосодержащих газов от основного газового потока происходит как неотъемлемая и одновременная часть работы системы. Регенерация теплоты испарения образующейся воды и конденсация диоксида углерода составляют две отдельные операции по изменению фазового состояния, которые обеспечивают движущую силу и предоставляют широкие возможности для превращения, забора и отделения оксидов азота и серосодержащих газов.
В варианте выполнения, приведенном на фиг. 11, синтез-газ выходит из каплеотбойника 1058 в виде потока 931. Поток 931 направляют в конденсатор 1042, где диоксид углерода и сернистый водород подвергают, по существу, конденсации и сжижению. Сжиженные диоксид углерода и сернистый водород в потоке 933 могут быть затем направлены в охладитель затопленного типа 1044, где в результате мгновенного испарения жидкий диоксид углерода и сернистый водород отделяют от синтез-газа и направляют в виде потока 934 на установку Клауса 1055 для превращения в элементарную серу. В случае, если бы была возможность осуществить дополнительное охлаждение потока 935 синтез-газа в результате теплообмена с потоком 905 кислорода в теплообменнике 1022, можно было бы осуществить конденсацию дополнительного количества диоксида углерода и его отвода в виде потока 938 в каплеотбойник 1045. Неконденсируемые газы, например, такие как азот, моноксид углерода, метан, водород и аргон, забирают из каплеотбойника 1045 и направляют в виде потока 937 на энергоустановку с комбинированным циклом 1032. Использование синтез-газа в энергоустановке с комбинированным циклом, содержащей газовую турбину, и котел, а также паровую турбину является предпочтительным вариантом осуществления изобретения. В другом варианте выполнения синтез-газ мог бы использоваться непосредственно в паровом котле. Этот паровой котел, подогреваемый синтез-газом, мог бы быть подсоединен к потоку 925 с горячей водой, или паром, или без них. Поскольку синтез-газ может представлять собой смесь горючих и негорючих газов, специалистам должно быть понятно, что на стадии начального газообразования (частичного сжигания) нет необходимости применять чистый кислород. Вместо него в системе могут быть использованы 90 -96 % кислорода, образуемого устройствами для адсорбции колебаний давления, или может быть использован просто воздух или воздух, обогащенный кислородом. Полученный и оборотный жидкий диоксид углерода пропускают в виде потока 935 через теплообменник 1022 и далее в виде потока 936 через каплеотбойник 1045, после чего его направляют в виде потока 938 к насосу 1046, который, в свою очередь, направляет диоксид углерода в виде потоков 941 и 940 в хранилище 1012 и транспортное средство 1048 соответственно. Следует понимать, что не обязательно конденсировать весь диоксид углерода в потоке 931. Вместо этого часть газообразного диоксида углерода может быть возвращена на повторный цикл для смешивания с кислородом на входе в реакционную камеру 1010. Это позволяет уменьшить объем работы теплообменника и количество отводимого тепла.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЕПЛООБМЕНА С СИНТЕЗ-ГАЗОМ | 2007 |
|
RU2426050C2 |
| СПОСОБ НЕПОЛНОГО ОКИСЛЕНИЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ ЭНЕРГИИ | 1994 |
|
RU2126489C1 |
| СПОСОБЫ И СИСТЕМЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МНОГОАТОМНЫХ СПИРТОВ | 2007 |
|
RU2454391C2 |
| СИСТЕМА И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЗАМЕНИТЕЛЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА | 2011 |
|
RU2573837C2 |
| Производство химических веществ и топлив из биомассы | 2012 |
|
RU2616620C2 |
| СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ | 2007 |
|
RU2439432C2 |
| ПЕРЕРАБОТКА УГЛЕВОДОРОДНОГО ГАЗА | 2011 |
|
RU2575457C2 |
| ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СЕРОВОДОРОДА В ВОДОРОД | 2009 |
|
RU2568976C2 |
| ИЗВЛЕЧЕНИЕ ТЕПЛОТЫ АБСОРБЦИИ ТРИОКСИДА СЕРЫ | 2014 |
|
RU2672113C2 |
| СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ В АНАЭРОБНОЙ СИСТЕМЕ | 2014 |
|
RU2561345C1 |
Энергоустановка, работающая на повышенном давлении, предназначена для чистого и эффективного окисления (газификации, сжигания) топлива. Топливо окисляют (газифицируют) в реакционной камере под давлением, находящимся в пределах от приблизительно 700 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 2000 фунт-сила/кв. дюйм или от приблизительно 850 фунт-сила/кв. дюйм до приблизительно 1276 фунт-сила/кв. дюйм. Продукты сгорания из реакционной камеры могут быть пропущены через теплообменник. Часть конденсированной воды может быть возвращена к продуктам сгорания на входе в теплообменник. Кроме того, в реакционную камеру подают охлаждающий агент, причем до этого его можно направить в теплообменник, применяя способ двухступенчатого изменения давления. Изобретение позволяет регенерировать скрытую теплоту испарения из образующейся воды, отделять кислые газы, удалять химические загрязняющие вещества, например ртуть и твердые частицы, и конденсировать и регенерировать жидкий диоксид углерода. 5 н. и 26 з.п. ф-лы, 11 ил.
| US 4074981 A, 21.02.1978 | |||
| US 4132065 A, 02.01.1979 | |||
| US 5117635 A, 02.06.1992 | |||
| КОМБИНИРОВАННАЯ ПАРОГАЗОВАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА | 1993 |
|
RU2050443C1 |
| СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВЫСОКОВЛАЖНОГО ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПОЛУЧЕНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ | 1995 |
|
RU2105158C1 |
| US 4698974 A, 13.10.1987. | |||
