Энерготехнологический комплекс выработки аммиака, тепловой и электрической энергии и способ работы комплекса Российский патент 2023 года по МПК F02C3/00 C01C1/02 

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам выработки полезного продукта - аммиака, тепловой и электрической энергий.

Известен способ и установка для выработки механической и тепловой энергии (патент РФ №2651918, опубл. 24.04.2018), включающий в себя этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину, при этом давление в камере сгорания составляет по меньшей мере 7,5 МПа; (b) отработанные в парогазовой турбине газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов (ОГ) путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока утилизации тепла и воды; (с) ОГ из блока утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор, который сжимает газ до давления по меньшей мере 3,5 МПа; (d) сжатый ОГ подают в блок утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока утилизации тепла и диоксида углерода; (е) некоторую часть слитой воды из блока утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (f) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (g) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания.

Известен способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии, (патент РФ №2698865, опубл. 30.08.2019), выполненный с возможностью сжижения природного газа и включающий определение электромагнитного момента на якоре генератора, соединенного с парогазовой турбиной; оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора, при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения, в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода, а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения, и включающий этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину; (b) ОГ из турбины поступают в первый охладитель ОГ; (с) ОГ из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из ОГ путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя; (d) ОГ из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор; (е) сжатые компрессором ОГ подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются; (f) из второго контактного охладителя охлажденные ОГ поступают во второй охладитель, где ОГ охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя; (g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (i) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания, при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости для накопления углеродсодержащего топлива.

К недостаткам представленных аналогов можно отнести потери мощности и низкую эффективность парогазовой установки при сжижении природного газа и получении жидкого кислорода.

Известен энерготехнологический комплекс выработки тепловой и электрической энергии и способ работы комплекса, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (патент РФ №2759794 от 17.11.2021), и который содержит энергетическую установку без выхлопа, установку криогенного разделения воздуха, соединенную с энергетической установкой без выхлопа линией подачи жидкого кислорода и линией подачи жидкого азота, источник топлива. Дополнительно содержит парогазовую установку (ПГУ), выполненную с возможностью выработки тепловой и электрической энергий, электролизер и соединенную с ним установку для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки без выхлопа, электролизер линией подачи кислорода соединен с энергетической установкой без выхлопа и линией подачи водорода - с ПГУ, которая также выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии установке криогенного разделения воздуха и электролизеру. Также раскрыт способ работы энерготехнологического комплекса.

К недостаткам приведенного наиболее близкого аналога можно отнести отсутствие возможности прямого использования азота и относительно низкую эффективность использования водорода - путем его сжигания в ПГУ.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.

Технический результат заключается в повышении эффективности комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также самих сред для получения полезного и высокоэнергетического продукта - аммиака.

Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом, выработки тепловой и электрической энергий, содержащим энергетическую установку (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией подачи жидкого кислорода и линией подачи электрической и/или механической энергии, источник (3) топлива, электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), и соединенную с ним установку (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для подачи электрической энергии, при этом комплекс содержит установку (4) производства аммиака (УПА), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2) и линией подачи электрической и/или механической энергии с энергетической установкой (1).

Дополнительно комплекс содержит линию подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПА (4), линию отвода от УПА (4) тепловой энергии к электролизеру (5) и к энергетической установке (1), а также дополнительную линию подачи электрической энергии к электролизеру (5) от энергетической установки (1), при этом линия (11) подачи азота дополнительно проходит через энергетическую установку (1), обеспечивая передачу холода от жидкого азота для охлаждения и конденсации отработанных газов энергетической установки (1).

Электролизер (5) соединен линией (8) подачи кислорода с энергетической установкой (1) и выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также с возможностью подачи водорода в УПА (4) под давлением большим или равным давлению в линии (11) подачи азота от УРВ (2).

УРВ (2) соединена с энергетической установкой (1) линией подачи электрической и/или механической энергии.

Комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), воды, сжиженного диоксида углерода, тепловой, электрической и/или механической энергий от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (7).

Энергетическая установка (1) обеспечивает подачу электрической энергии УРВ, УПА, электролизеру и внешнему потребителю и работает за счет сжигания органического топлива в кислороде по известной схеме бескомпрессорного ПГУ (пат. РФ №2698865, опубл. 30.08.2019).

Электролизер (5) выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1) и давлением водорода в УПА (4) большим или равным давлению в линии подачи азота от УРВ (2) в УПА (4). При этом давление водорода и азота, передаваемых УПА (4) может определяться условиями проведения реакции получения аммиака, например, по процессу Габера в колоне синтеза аммиака среднего давления - 35 МПа, с температурой 770 К.

Также технический результат достигается способом работы энерготехнологического комплекса, заключающимся в том, что выработанную установкой (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) электрическую энергию подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, на водород и кислород, полученный таким образом водород по линии (9) подачи водорода подают в установку (4) производства аммиака (УПА), где за счет химической реакции производят аммиак, соединяя водород с азотом, который поступает от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), при этом кислород от УРВ (2) подают в энергетическую установку (1), где за счет сжигания топлива, поступающего от источника (3) топлива, вырабатывают тепловую, электрическую и/или механическую энергии и подают электрическую и/или механическую энергию к УПА (4) и УРВ (2).

Тепловую энергию от энергетической установки (1) подают в УПА (4), а тепловую энергию из УПА (4) подают в электролизер (5) и энергетическую установку (1), а также дополнительно подают электрическую энергию от энергетической установки (1) к электролизеру (5), а азот в УПА (4) подают от УРВ (2) через энергетическую установку (1).

Полученный в электролизере (5) кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1).

Обеспечивают подачу аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), воды, сжиженного диоксида углерода, тепловой, электрической и/или механической энергий от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (7).

Водород от электролизера (5) и азот от УРВ (2) подаются в УПА (4) под давлением большим или равным давлению, определяемым условиями проведения реакции получения аммиака, например, по процессу Габера в колоне синтеза аммиака среднего давления - 35 МПа, с температурой 770 К.

На представленной фигуре показана схема энерготехнологического комплекса выработки аммиака, тепловой и электрической энергии.

На представленной фигуре обозначены следующие элементы.

1 - энергетическая установка без выхлопа;

2 - установка криогенного разделения воздуха (УРВ);

3 - источник топлива;

4 - установка производства аммиака (УПА), работающая на водороде и азоте;

5 - электролизер;

6 - установка для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ);

7 - внешний потребитель;

8 - линия подачи кислорода от электролизера (5) к энергетической установке (1);

9 - линия подачи водорода от электролизера (5) к УПА (4);

10 - линия подачи жидкого кислорода от УРВ (2) к энергетической установке (1);

11 - линия подачи азота от УРВ (2) к УПА (4);

12 - линия подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПА (4).

Стрелками показаны направления движения сред в комплексе и энергий для обеспечения работоспособности комплекса.

Энерготехнологический комплекс, выработки тепловой и электрической энергий, а также аммиака содержит энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией (10) подачи жидкого кислорода, что повышает энергоэффективность комплекса, за счет дополнительного повышения использования тепловой энергии жидкого кислорода, циркулирующего в комплексе, а именно холода кислорода в энергетической установке (1) в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода, и линией подачи энергии.

Источник (3) топлива, например, углеродсодержащего топлива, в частности, метана или пропана, или бутана, или ацетилена, или жидких углеводородов, или любых других углеродсодержащих топлив. Электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1). С электролизером (5) соединена установка (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), что повышает эффективность комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии, например, таких как солнце, ветер, вода, геотермальные или их комбинации.

Комплекс дополнительно содержит установку (4) производства аммиака (УПА), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2) и линией подачи электрической энергии с энергетической установкой (1), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезного и высокоэнергетического продукта - аммиака. При этом линия (11) подачи азота дополнительно проходит через энергетическую установку (1), для охлаждения в ней отработанных газов с целью обеспечения возможности конденсации воды и диоксида углерода.

УПА (4) выполнена с возможностью выработки аммиака и тепловой энергий за счет соединения водорода и азота по процессу Габера, например, в колонне синтеза аммиака среднего давления - 35 МПа, с температурой 770 К (https://obrazovaka.ru/himiya/poluchenie-ammiaka.html), что позволяет снизить выбросы вредных веществ при работе комплекса в атмосферу, за счет использования азота из УРВ (2).

Электролизер (5) соединен с установкой (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса и улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды. Электролизер (5) также соединен с энергетической установкой (1) на случай отсутствия или недостаточности получаемой электрической энергии от установки (6) для разложения воды на кислород и водород, что дополнительно обеспечивает поддержания высокой эффективности работы электролизера (5) и комплекса в целом.

Дополнительно комплекс содержит линию подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПА (4), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, линию отвода от УПА (4) тепловой энергии к электролизеру (5) и к энергетической установке (1), что также дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе.

Электролизер (5) линией (8) подачи кислорода соединен с энергетической установкой (1) и линией (9) подачи водорода - с УПА (4), которая также выполнена с возможностью передачи полученного аммиака внешнему потребителю (7) товарной продукции и вырабатываемой тепловой энергии энергетической электролизеру (5) и энергетической установке (1), что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку водорода, для производства аммиака, включающим также использование азота от УРВ (2). УПА (4) также способна принимать тепловую энергию по линии 12 от энергетической установки (1), что обеспечивает разогрев УПА (4) при ее запуске и таким образом сокращается время для выхода УПА (4) на оптимальный режим работы и как следствие повышение эффективности комплекса.

Энергией, передаваемой от УПА (4) электролизеру (5) и энергетической установке (1), является тепловая энергия, получаемая в результате экзотермической каталитической реакции соединения водорода с азотом (процесс Габера):

N₂+3Н₂ ⇔ 2NH₃+91,84 кДж.

За счет этого тепла подогревается вода, поступающая в электролизер (5) от энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.

УПА (4) дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, которая может быть электрической и/или механической, например, для приводов по меньшей мере части компрессоров и/или насосов, где может использоваться механическая энергия, а для другой части - электрическая, или один вид энергии для всего оборудования УПА (4).

УРВ (2) дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, которая может быть электрической и/или механической, например, для приводов по меньшей мере части компрессоров может использоваться механическая энергия, а для другой части электрическая, или один вид энергии для всего оборудования УРВ (2).

Электролизер (5), выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) и водорода в УПА (4) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), например, за счет работы самого электролизера (5) под высоким давлением может достигаться необходимое давление кислорода для подачи в камеру сгорания энергетической установки (1), что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет отсутствия необходимости повышения давления кислорода и водорода, либо включать один дополнительный компрессор, обеспечивающий повышение давления кислорода для подачи его в камеру сгорания энергетической установки (1) под необходимым давлением, а также другой дополнительный компрессор, обеспечивающий подачу водорода в колонну синтеза УПА (4) (Технология синтеза аммиака. Аппаратное обеспечение производства/AURL: https://proplast.ru/articles/tehnologiya-sinteza-ammiaka-apparatnoe-obespecheni/). Конструкция самого электролизера высокого давления может быть любой из известных, например, раскрытая в статье «С.П. Королёв, В.Н. Кулешов и др. / Электролизер высокого давления с фитильной подачей воды для работы в невесомости // Известия РАН. Энергетика, 2019, №2, стр. 68-77 [URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=izen&y=2019&v=0&n=2&a=IzEn1902009Korolev или в соответствии с патентом РФ 2496918, опубликованным 27.10.2013, электролизер высокого давления выполнен с возможностью получения водорода и кислорода под высоким давлением (7 МПа и более).

Также комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода от УРВ (2), а также воды и сжиженного диоксида углерода, полученных посредством ступенчатого охлаждения отработанных газов, от энергетической установки (1) и выработанной в ней (1) энергий, к внешнему потребителю (7), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования избытков сред, выработанных при эксплуатации энерготехнологического комплекса получения аммиака.

Энергетическая установка (1) дополнительно включает замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, выполненный с возможностью получения тепла низкокипящей рабочей жидкостью от отработанных газов и выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР и далее выработки дополнительной электрической энергии генератором ОЦР, соединенным с турбиной ОЦР, что повышает КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, что соответствует установке, описанной в патенте RU 2739165 от 21.12.2020. Кроме того, холодная вода, сконденсированная из отработанных газов энергетической установки (1) за счет ступенчатого охлаждения, направляется в электролизер (5).

УПА (4) дополнительно выполнена с возможность передачи по меньшей мере части тепловой энергии энергетической установке (1), где также передают тепло в замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет увеличения использования тепла, а также улучшение экологических показателей за счет конденсации диоксида углерода.

Комплекс работает следующим образом.

От установки (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), возобновляемым источником энергии для которой может быть солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная или их комбинации, получают электрическую энергию и далее подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), на водород и кислород, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, а также улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды и самой воды от энергетической установки (1). Полученный таким образом водород по линии (9) подачи водорода подают в установку (4) производства аммиака (УПА), где за счет химической реакции производят аммиак, соединяя водород с азотом, который поступает от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезного и высокоэнергетического продукта - аммиака. Кислород от УРВ (2) подают в энергетическую установку (1), где за счет сжигания топлива, поступающего от источника (3) топлива, вырабатывают тепловую, электрическую и/или механическую энергии и подают электрическую и/или механическую энергию к УПА (4) и УРВ (2), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезного и высокоэнергетического продукта -аммиака.

Тепловую энергию от энергетической установки (1) подают в УПА (4), а тепловую энергию из УПА (4) подают в электролизер (5) и энергетическую установку (1), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также дополнительно подают электрическую энергию от энергетической установки (1) к электролизеру (5), что дополнительно обеспечивает поддержания высокой эффективности работы электролизера (5) и комплекса в целом.

Полученный в электролизере (5) кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1), где его направляют в камеру сгорания энергетической установки (1), а полученный водород по линии (9) подачи водорода подают в УПА (4), где этот водород соединяется с азотом, поступающим от УРВ (2) по линии (11), при этом электрическую энергию, вырабатываемую энергетической установкой (1), передают к электролизеру (5), а к УРВ (2) от энергетической установкой (1) подают электрическую и/или механическую энергию, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку газа - водорода, для выработки аммиака в УПА (4) и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива в энергетической установке (1). Передача электрической энергии от энергетической установки (1) к электролизеру (5) обеспечивает работу электролизера (5) по разложению воды на газы водород и кислород в случае отсутствия или недостаточности получаемой энергии от ВИЭ, что обеспечивает эффективную работу комплекса.

В УРВ (2) получают по меньшей мере жидкие азот и кислород, который по линии подачи жидкого кислорода (10) подают в энергетическую установку (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, а именно холода жидкого кислорода в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода, а азот по линии подачи азота (11) подают в УПА (4). При этом, холод азота перед его поступление в УПА (4) передается также энергетической установке (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, а именно холода азота в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода.

От УПА (4) передают электролизеру (5) тепловую энергию, например, с водой охлаждения колонны синтеза, для подогрева воды, поступающей из энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ (6) и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.

Дополнительно от УПА (4) передают по меньшей мере часть тепловой энергии с водой охлаждения колонны синтеза, в энергетическую установку (1), при этом по меньшей мере часть тепла передается замкнутому контуру утилизации тепла, работающему по ОЦР, и дальнейшей тепловой обработки, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет тепла, полученного от воды охлаждения колонны синтеза, сгенерированного энергией ВИЭ, и кислорода для энергетической установки (1), полученного без затрат углеродсодержащего топлива.

Дополнительно к УРВ (2) подают энергию, выработанную энергетической установкой (1), а именно механическую и/или электрическую, при этом часть компрессоров установки (2) приводится за счет использования электрической энергии и другая часть - механической энергии, или только одним из этих видов энергий, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования энергий, вырабатываемых комплексом.

Также водород к УПА (4) от электролизера (5) подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи водорода в колонну синтеза аммиака, а кислород к энергетической установке (1) от электролизера (5), подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также полученный в УРВ (2) сжиженный кислород подают к внешнему потребителю (7), при этом, как указывалось ранее известны электролизеры (5) высокого давления, способные обеспечить давление вырабатываемых газов, необходимое для их подачи в камеру сгорания энергетической установки (1) и в колонну синтеза УПА (4) без использования дополнительных компрессоров, что позволяет повысить эффективность комплекса в целом за счет такой экономии энергии на подаче водорода и кислорода от электролизера (5). Однако это не ограничивает использование электролизеров (5) только с таким давлением, при более низком давлении возможно использовать по меньшей мере один компрессор для повышения давления кислорода и один компрессор для повышения давления водорода, при этом компрессора также будут получать электрическую энергию от ВИЭ (6), что позволяет повысить эффективность комплекса, за счет уменьшения использования энергии на повышение давления кислорода. Одновременное с использованием кислорода от электролизера (5) и УРВ (2), использование водорода и азота для получения аммиака позволяет повысить эффективность комплекса, за счет уменьшения использования энергии в производстве аммиака в сравнении с традиционным его производством, исключив логистику и потери, связанные с отсутствием возможности прямого использования побочных продуктов: кислорода от электролизера - для УПА (4), водорода от электролизера - для энергетической установки (1) и азота от УРВ (2) - для энергоустановки (1). Также от энергетической установки (1) воду и сжиженный диоксид углерода, полученные ступенчатым охлаждением отработанных газов в энергетической установке (1), тепловую, электрическую и/или механическую энергию от энергетической установки (1) дополнительно подают к внешнему потребителю (7). Кроме того, к внешнему потребителю (7) обеспечивают подачу аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования излишков сред, выработанных при эксплуатации комплекса.

Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении энергоэффективности комплекса, за счет прямого использования сред: воды, кислорода, водорода и азота, повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку водорода, для выработки аммиака и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива.

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам выработки полезного продукта - аммиака, тепловой и электрической энергий. Энерготехнологический комплекс содержит энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией подачи жидкого кислорода и линией подачи энергии, источник (3) топлива, электролизер (5), выполненный с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), и соединенную с ним установку (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом содержит установку (4) производства аммиака (УПА), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2) и линией подачи электрической и/или механической энергии с энергетической установкой (1). Также раскрыт способ работы энерготехнологического комплекса. Технический результат заключается в повышении эффективности комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также самих сред для получения полезного и высокоэнергетического продукта - аммиака. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Энерготехнологический комплекс, содержащий энергетическую установку (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией (10) подачи жидкого кислорода и линией подачи электрической и/или механической энергии, источник (3) топлива, электролизер (5), выполненный с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), и соединенную с ним установку (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для подачи электрической энергии, отличающийся тем, что содержит установку (4) производства аммиака (УПА), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2) и линией подачи электрической и/или механической энергии с энергетической установкой (1).

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит линию (12) подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПА (4), линию отвода от УПА (4) тепловой энергии к электролизеру (5) и к энергетической установке (1), а также дополнительную линию подачи электрической энергии к электролизеру (5) от энергетической установки (1), при этом линия (11) подачи азота дополнительно проходит через энергетическую установку (1).

3. Комплекс по п. 2, отличающийся тем, что электролизер (5) соединен линией (8) подачи кислорода с энергетической установкой (1) и выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также с возможностью подачи водорода в УПА (4) под давлением, большим или равным давлению в линии (11) подачи азота от УРВ (2).

4. Комплекс по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), воды, сжиженного диоксида углерода, тепловой, электрической и/или механической энергий от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (7).

5. Способ работы энерготехнологического комплекса, заключающийся в том, что выработанную установкой (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) электрическую энергию подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, на водород и кислород, при этом полученный таким образом водород по линии (9) подачи водорода подают в установку (4) производства аммиака (УПА), где за счет химической реакции производят аммиак, соединяя водород с азотом, который поступает от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), при этом кислород от УРВ (2) подают в энергетическую установку (1), где за счет сжигания топлива, поступающего от источника (3) топлива, вырабатывают тепловую, электрическую и/или механическую энергии и подают электрическую и/или механическую энергию к УПА (4) и УРВ (2).

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что тепловую энергию от энергетической установки (1) подают в УПА (4), а тепловую энергию из УПА (4) подают в электролизер (5) и энергетическую установку (1), также дополнительно подают электрическую энергию от энергетической установки (1) к электролизеру (5), а азот в УПА (4) подают от УРВ (2) через энергетическую установку (1).

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что полученный в электролизере (5) кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также подают водород в УПА (4) под давлением, большим или равным давлению в линии (11) подачи азота от УРВ (2).

8. Способ по любому из пп. 5-7, отличающийся тем, что дополнительно обеспечивают подачу аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), воды, сжиженного диоксида углерода, тепловой, электрической и/или механической энергий от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (7).