СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ IGCC С ИНТЕГРИРОВАННЫМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ CO Российский патент 2014 года по МПК C01B3/48 C01B3/56 C10J3/00 F02C3/00 C01B31/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу эксплуатации станции IGCC с интегрированным устройством для отделения CO₂. Сокращение IGCC (Integraded Gasification Combined Cycle) означает «комбинированный цикл с интегрированной газификацией». Электростанции IGCC представляют собой комбинированные газо- и паротурбинные электростанции с предвключенной секцией для газификации ископаемых видов топлива, в частности угля.

Уровень техники

Газификация - это процесс, в ходе которого из ископаемых видов топлива производится синтез-газ с содержанием в нем СО и Н₂. Синтез-газ подвергается конверсии, в ходе которой содержащаяся в нем окись углерода преобразуется водяным паром в диоксид углерода и водород. После конверсии синтез-газ состоит преимущественно из диоксида углерода и водорода. Посредством химических и физических скрубберов диоксид углерода может удаляться из синтез-газа. Затем синтез-газ с высоким содержанием в нем водорода сжигается в газовой турбине. При такой концепции удаления диоксида углерода снижается общий кпд на около 10 процентных баллов по сравнению с обычной комбинированной газо- и паротурбинной электростанцией без удаления CO₂.

Из ЕР 0262894 В1 известен способ отделения и получения CO₂ из топлива, содержащего, наряду с углеводородами, также Н₂ и CO₂, при котором используемый газ разделяют с помощью адсорбции с переменным давлением (PSA: pressure swing adsorption) на фракцию технически чистого водорода и фракцию с высоким содержанием CO₂, причем фракция с высоким содержанием CO₂ содержит в себе также горючие газы, в частности H₂, причем фракция с высоким содержанием CO₂, образовавшаяся в установке PSA, сжигается в отдельном котле с использованием технически чистого кислорода. При этом отходящее тепло может быть утилизировано, например, для выработки пара.

Из US-2007/0178035 А1 известен способ эксплуатации электростанции IGCC с встроенным устройством для отделения CO₂. При этом известном способе из ископаемых видов топлива получают синтез-газ с содержанием СО и Н₂, причем, по меньшей мере, часть потока синтез-газа преобразуется в секции конверсии СО водяным паром в Н₂ и CO₂. Образующийся технологический газ с содержанием Н₂ и CO₂ разделяют посредством адсорбции с переменным давлением (установка PSA) на фракцию технически чистого водорода и фракцию с высоким содержанием CO₂, причем фракция с высоким содержанием CO₂ содержит в себе также горючие газы, как СО и H₂. Образующийся водород сжигают в газовой турбине для генерации тока, при этом отработавший газ газовой турбины используется в котле-утилизаторе для производства водяного пара, расширяющегося в паровой турбине, также используемой для генерации электроэнергии. Фракция с высоким содержанием CO₂, выделяющаяся в результате циклического снижения давления в установке для адсорбции с переменным давлением (PSA) и называемая ниже отходящим газом установки PSA, сжигается в отдельном котле с использованием технически чистого кислорода. При этом отходящее тепло состоящего из CO₂ и продуктов сгорания дымового газа используется посредством теплообмена. Согласно известному способу отходящее тепло дымового газа применяется для подогрева водородного потока для газотурбинного процесса.

В WO 2006/112725 А1 также описан способ с приведенными выше признаками. Фракция с высоким содержанием CO₂, образованная адсорбцией с переменным давлением, используется в качестве горючего газа при нагреве преобразователя пара, с помощью которого производят синтез-газ. Образующийся при сжигании дымовой газ состоит по существу из CO₂ и водяного пара. Водяной пар отделяют, а остаточный поток, состоящий в основном из CO₂, направляют на захоронение или утилизацию.

Температура отработавшего газа газовой турбины на электростанции IGCC составляет около 600°С. Более высокие температуры отработавшего газа при использовании традиционных газовых турбин не возможны, в частности, по техническим причинам, обусловленным материалами. Поэтому при использовании отходящего тепла газовой турбины для процесса работы паровой турбины может быть использован пар с максимальной температурой около 550°С. Также высокая температура при газификации во время производства синтез-газа не может применяться для большего перегрева пара, так как синтез-газ постоянно восстанавливает материалы парового котла, что может вызвать длительный выход котла из строя. При обычном режиме работы электростанции IGCC принимается во внимание, что паротурбинный процесс ведется с параметрами пара (его давлением и температурой перегрева), которые не соответствуют уровню современной электростанции на угольном топливе.

Раскрытие изобретения

В изобретении достигается технический результат - повышение общего кпд электростанции IGCC с интегрированным устройством для отделения CO₂.

Задачей изобретения является создание способа по пункту 1 формулы изобретения. На основе способа с описанными выше и приведенными в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения признаками указанная задача решается в изобретении тем, что при сжигании образующейся при адсорбции с переменным давлением фракции с высоким содержанием СО₂ образуется дымовой газ с температурой свыше 1000°С, используемый для перегрева пара, вырабатываемого в расположенном за газовой турбиной котле-утилизаторе, и/или для выработки пара с большим давлением для паротурбинного процесса, и что за счет отходящего тепла газовой турбины и дымового газа, образующегося при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂, производится перегретый пар с давлением свыше 120 бар и температурой более 520°С, предпочтительно более 550°С, для паротурбинного процесса.

В результате поддерживаемого кислородом сжигания отходящего газа установки PSA в отдельном котле образуется дымовой газ с температурой свыше 1000°С, состоящий по существу из CO₂ и водяного пара. Путем использования отходящего тепла этого дымового газа можно увеличить перегрев пара по сравнению с традиционными процессами IGCC, например, до 600-700°С, в результате чего с помощью способа согласно изобретению можно существенно увеличить кпд паротурбинного процесса в установке IGCC. Предпочтительно предусмотреть перегрев до температуры свыше 550°С. Неизбежная потеря кпд при газотурбинном процессе, обусловленная отсутствием отходящего газа установки PSA в синтез-газе, в результате этого компенсируется, по меньшей мере, частично. Таким образом, при использовании технического решения по изобретению общий кпд электростанции IGCC с интегрированным устройством для отделения диоксида углерода снижается по сравнению с традиционной электростанцией IGCC без устройства отделения диоксида углерода лишь незначительно.

Способом согласно изобретению предусмотрено применение установки для адсорбции с переменным давлением для разделения конвертированного синтез-газа на фракцию с высоким содержанием диоксида углерода и фракцию с высоким содержанием водорода. При этом конвертированный синтез-газ под высоким давлением перетекает в первый адсорбер. Содержащийся в газе диоксид углерода адсорбируется. Водород лишь незначительно взаимодействует с адсорбирующей массой и в основном беспрепятственно проходит через первый адсорбер. Если поглощающая способность адсорбирующего агента исчерпана, то поток синтез-газа направляют во второй адсорбер. В это время первый адсорбер восстанавливают путем снижения давления, причем диоксид углерода выделяется из адсорбирующего агента. Газ, выделяющийся при снижении давления, называется отходящим газом установки PSA. При этом неизбежно часть водорода, содержащегося в подведенном синтез-газе, например 15%, поступит вместе с подведенным в синтез-газ количеством водорода в отходящий газ установки PSA, вследствие чего снизится эффективность производства синтез-газа. Следовательно, хотя большей частью отходящий газ установки PSA и состоит из диоксида углерода, однако в нем содержатся также доли водорода и окиси углерода. Вследствие высокого содержание диоксида углерода отходящий газ установки PSA не пригоден для обычного сжигания с использованием воздуха.

В способе согласно изобретению отходящий газ установки PSA с высоким содержанием CO₂ сжигается с применением технически чистого кислорода. Поскольку диоксид углерода обладает более высокой молярной теплоемкостью по сравнению с азотом, то задается температура горения, которая, несмотря на использование чистого кислорода, почти соответствует температуре горения ископаемого топлива с использованием воздуха. Поэтому возможно применение обычных печей, предназначенных для сжигания ископаемых видов топлива с использованием воздуха.

Дымовой газ, образующийся при сжигании отходящего газа установки PSA с использованием кислорода, состоит почти исключительно из диоксида углерода и водяного пара. При этом особо оптимально, чтобы уже в процессе производства синтез-газа исключалось попадание в него азота. Для этого предпочтительно применять при процессах шлюзования и промывки диоксид углерода вместо азота.

После сжигания отходящего газа установки PSA с использованием технически чистого кислорода и утилизации отходящего тепла согласно изобретению для улучшения параметров пара для паротурбинного процесса производят охлаждение содержащегося в дымовом газе водяного пара и его конденсацию с получением фракции чистого диоксида углерода. Эта фракция может быть направлена на захоронение или использована для «увеличения нефтеотдачи» (Enhanced Oil Recovery), для чего диоксид углерода нагнетается в нефтяной пласт, в котором давление возрастает, и остатки нефти поступают на дневную поверхность.

Благодаря утилизации отходящего тепла согласно изобретению можно легко получать пар с высоким давлением, превышающим 200 бар, который может использоваться в паровой турбине с высоким кпд.

Осуществление изобретения

В рамках паротурбинного процесса может применяться паровая турбина с несколькими ступенями, содержащая по меньшей мере одну часть высокого давления и одну часть низкого давления. В этом случае для такой паровой турбины может быть предусмотрен с помощью образующегося при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂ дымового газа промежуточный перегрев расширяющегося пара в части высокого давления до температуры более 520°С, предпочтительно более 550°С.

При использовании способа согласно изобретению образуется остаточный поток, состоящий по существу из CO₂. При этом присутствует возможность для отвода части образующегося CO₂ и использования его, например, в производстве синтез-газа из ископаемых видов топлива для доставки топлива и/или для промывки и создания атмосферы инертного газа.

Согласно изобретению дымовой газ, образующийся при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂, используется для перегрева пара, вырабатываемого в расположенном за газовой турбиной котле-утилизаторе, и/или для производства пара большего давления для паротурбинного процесса. В целях дополнительного повышения кпд остаточное тепло, сохраняющееся во фракции с высоким содержанием CO₂, может быть использовано для подогрева фракции с высоким содержанием CO₂ перед ее сжиганием и/или подаваемого на сжигание технически чистого кислорода.

Использование тепла, выделяющегося при сжигании отходящего газа установки PSA с высоким содержанием CO₂ с применением чистого кислорода, происходит предпочтительно в паровом котле. Если температура горения при сжигании отходящего газа установки PSA не соответствует требуемой температуре в котле, то это положение может быть выправлено применением некоторых мер, приведенных в пунктах 6-13 формулы изобретения и поясняемых ниже.

Особенно эффективной является мера, при которой температура горения задается за счет части синтез-газа, подводимой для конверсии СО. Если температура в котле слишком низкая, то долю синтез-газа, подаваемую для конверсии, снижают, в результате чего большая доля синтез-газа вследствие частичного обвода не участвует в конверсии СО. Если же температура в котле слишком высокая, то подводимую для конверсии долю синтез-газа повышают и меньшая доля синтез-газа в результате частичного обвода участвует в конверсии СО. При слишком высокой температуре в котле возможно подвергать конверсии также все количество синтез-газа.

Также температура горения может задаваться посредством превращения при конверсии СО при использовании для этого одно-, двух- или трехступенчатой конверсии СО. Кроме того, возможно воздействовать на превращение изменением температуры в конвертере. Чем выше превращение окиси углерода в диоксид углерода, тем ниже температура горения, которая устанавливается при сжигании отходящего газа установки PSA с использованием кислорода.

Другая возможность для воздействия на температуру горения заключается в частичном отводе газообразных продуктов сгорания, образующихся при сжигании отходящего газа установки PSA с использованием кислорода. Чем больше отводимая на сжигание доля газообразных продуктов сгорания, тем больше снижается температура горения.

Другим вариантом способа согласно изобретению предусматривается, чтобы температура дымового газа при сжигании отходящего газа установки PSA повышалась за счет подвода синтез-газа или горючего газа из его других источников. Также посредством подачи доли фракции с высоким содержанием водорода на сжигание возможно поднять температуру превращения фракции с высоким содержанием CO₂ с помощью кислорода. Кроме того, в процесс сжигания отходящего газа установки PSA с использованием кислорода могут подаваться низкокалорийные газы, образующиеся при процессе IGCC.

Целесообразно, чтобы уже при очистке синтез-газа проводилось обессеривание. При этом обессеривание может проводиться либо до, либо после конверсии СО. Тогда отходящий газ, образующийся при сжигании отходящего газа установки PSA с использованием кислорода, будет состоять исключительно из диоксида углерода и водяного пара, так как обессеривание уже проведено при очистке синтез-газа.

Для того чтобы в отходящем газе, образующемся при сжигании содержащей CO₂ фракции, содержались по существу только диоксид углерода и вода, предпочтительно получать неочищенный синтез-газ без содержания азота. Оказалось оптимальным, чтобы для получения неочищенного синтез-газа применялись реакции расщепления водяного пара без участия в них азота или чтобы для частичного окисления при получении неочищенного синтез-газа применялся чистый кислород. Кроме того, предпочтительно применять при процессах шлюзования и промывки диоксид углерода вместо азота. Особо эффективным оказалось применение диоксида углерода при получении синтез-газа посредством газификации угля для транспортировки угля и для целей промывки.

Также в рамках изобретения предусмотрены отказ от обессеривания на тракте синтез-газа и проведение обессеривания образующегося при сжигании отходящего газа установки PSA дымового газа посредством обычного способа обессеривания дымовых газов.

Поскольку в данном варианте способа обессеривание синтез-газа не проводится, то все сернистые компоненты вместе с другими компонентами отходящего газа установки PSA поступают в отходящий газ установки PSA. При сжигании отходящего газа установки PSA все сернистые компоненты превращаются в SO_x. Содержащие SO_x компоненты отделяют с помощью обычного способа обессеривания дымовых газов, например известковой промывкой с получением гипса, от отходящего газа с содержанием CO₂. В качестве альтернативы возможно также удалять сернистые компоненты, содержащиеся в отходящем газе установки PSA, до сжигания с использованием технически чистого кислорода.

Изобретение относится к способу эксплуатации электростанции IGCC с интегрированным устройством для отделения CO₂. При этом способе технологический газ с содержанием Н₂ и СO₂ разделяют посредством адсорбции с переменным давлением (PSA) на технически чистый водород и фракцию с высоким содержанием CO₂, причем фракция с высоким содержанием СО₂ выделяется в результате снижения давления в виде отходящего газа установки PSA. Образующийся водород сжигается в по меньшей мере одной газовой турбине, предназначенной для генерации тока. Отработавший газ газовой турбины используется в котле-утилизаторе для производства водяного пара, расширяющегося в паровой турбине, также предназначенной для генерации тока. Отходящий газ установки PSA сжигается в отдельном котле с использованием технически чистого кислорода, причем образуется дымовой газ с температурой свыше 1000°С. Дымовой газ используется для перегрева подаваемого в паротурбинный процесс пара и/или для производства пара с большим давлением для паротурбинного процесса. При использовании отходящего тепла газовой турбины и отходящего тепла дымового газа получают перегретый пар с давлением свыше 120 бар и температурой более 520°С для паротурбинного процесса. Изобретение позволяет повысить общий КПД электростанции IGCC с интегрированным устройством отделения СО₂. 12 з.п. ф-лы.

1. Способ эксплуатации электростанции IGCC с интегрированным устройством для отделения CO₂, в котором:
- из ископаемых видов топлива производят синтез-газ с содержанием СО и Н₂,
- по меньшей мере один частичный поток синтез-газа преобразуют на стадии конверсии СО посредством водяного пара в Н₂ и CO₂,
- образовавшийся технологический газ с содержанием Н₂ и CO₂ разделяют адсорбцией с переменным давлением (PSA) на технически чистый водород и фракцию с высоким содержанием CO₂, содержащую также горючие газы, как СО и Н₂,
- образующийся водород сжигают в по меньшей мере одной газовой турбине, предназначенной для генерации тока,
- отработавший газ газовой турбины используют в котле-утилизаторе для выработки водяного пара, расширяющегося в паровой турбине, также предназначенной для генерации тока,
- фракцию с высоким содержанием CO₂, образовавшуюся при адсорбции с переменным давлением, сжигают в отдельном котле с использованием технически чистого кислорода, а отходящее тепло дымового газа, состоящего из CO₂ и продуктов сгорания, используют путем теплообмена,
- водяной пар отделяют от дымового газа, образующегося при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂, а остаточный поток, состоящий по существу из CO₂, направляют на захоронение или утилизацию,
отличающийся тем, что при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂, образующейся при адсорбции с переменным давлением, образуется дымовой газ с температурой свыше 1000°С, используемый для перегрева пара, произведенного в расположенном за газовой турбиной котле-утилизаторе, и/или для производства пара с большим давлением для паротурбинного процесса, и что за счет отходящего тепла газовой турбины и отходящего тепла дымового газа, образующегося при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂, производится перегретый пар с давлением свыше 120 бар и температурой более 520°С для паротурбинного процесса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пар с давлением свыше 200 бар производят для паротурбинного процесса.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для паротурбинного процесса применяют паровую турбину, содержащую по меньшей мере одну часть высокого давления и одну часть низкого давления, и с помощью дымового газа, образующегося при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂, проводят промежуточный перегрев расширяющегося пара, поступающего из части высокого давления, до температуры свыше 520°С.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при производстве синтез-газа из ископаемых видов топлива CO₂ используют для транспортировки топлива и/или в целях промывки или образования атмосферы инертного газа для получения синтез-газа без содержания азота.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дымовой газ, образующийся при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂, используют после перегрева пара, произведенного в расположенном за газовой турбиной котле-утилизаторе, или после выработки пара с большим давлением для паротурбинного процесса для подогрева фракции с высоким содержанием CO₂ перед ее сжиганием и/или для подогрева подведенного технически чистого кислорода.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру горения при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂ регулируют через содержание горючих газов в этой фракции.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть потока синтез-газа пропускают по байпасу мимо секции для конверсии СО и управлением подаваемым по байпасу количеством потока регулируют температуру горения при сжигании фракции с высоким содержанием CO₂.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что для снижения температуры дымового газа частичный поток отходящего газа отводят обратно из фракции с высоким содержанием CO₂ в котел для сжигания фракции с высоким содержанием CO₂.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что температуру дымового газа, образующегося при сжигании фракции с высоким содержанием СО₂, повышают подачей синтез-газа или горючего газа из других источников.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед конверсией СО проводят обессеривание синтез-газа.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что после конверсии СО проводят обессеривание синтез-газа.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержащиеся в синтез-газе сернистые компоненты поступают в результате снижения давления во фракцию с высоким содержанием СО₂, образующуюся при адсорбции с переменным давлением, причем фракцию с высоким содержанием CO₂ обессеривают перед сжиганием с использованием технически чистого кислорода.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержащиеся в синтез-газе сернистые компоненты поступают в результате снижения давления во фракцию с высоким содержанием CO₂, образующуюся при адсорбции с переменным давлением, и при сжигании фракции с высоким содержанием СО₂ преобразуются в SO_x, причем компоненты SO_x отделяют от дымового газа с содержанием CO₂ путем обессеривания дымового газа.