Энерготехнологический комплекс выработки карбамида, тепловой и электрической энергии и способ работы комплекса Российский патент 2023 года по МПК F02C3/00 C07C273/04 

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам выработки аммиака, карбамида, а также 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 диоксида углерода с азотом 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 полезных и высокоэнергетических продуктов - аммиака и карбамида.

Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом, содержащим энергетическую установку (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки (ПГУ), установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией (10) подачи жидкого кислорода и линией подачи электрической и/или механической энергий, 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 карбамида (УПК), которая содержит колонну выработки аммиака, и выполнена с возможностью выработки карбамида и тепловой энергий за счет соединения диоксида углерода с аммиаком, вырабатываемым в колонне синтеза аммиака УПК (4) за счет соединения водорода и азота по процессу Габера, соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2), а также соединенную линией подачи электрической энергии и линией (13) подачи диоксида углерода с энергетической установкой (1).

Дополнительно комплекс содержит линию (12) подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПК (4), линию отвода от УПК (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).

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 УПК (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 карбамида и аммиака от УПК (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, УПК, электролизеру и внешнему потребителю, работает за счет сжигания органического топлива в кислороде по схеме бескомпрессорного ПГУ (пат. РФ №2698865).

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 УПК (4) большим или равным давлению в линии подачи азота от УРВ (2) в УПК (4). При этом, давление водорода и азота передаваемых УПК (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 выработавшую 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 (ПГУ), на водород и кислород, при этом полученный таким образом водород по линии (9) подачи водорода подают в установку (4) производства карбамида (УПК), которая содержит колонну выработки аммиака, и выполнена с возможностью выработки карбамида и тепловой энергий за счет соединения диоксида углерода с аммиаком, вырабатываемым в колонне синтеза аммиака УПК (4) за счет соединения водорода и азота по процессу Габера, в которую также подают азот от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ) и диоксид углерода от энергетической установки (1), 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 УРВ (2), и электрическую энергию к УПК (4).

Тепловую энергию от энергетической установки (1) подают в УПК (4), а тепловую энергию из УПК (4) подают в электролизер (5) и энергетическую установку (1), также дополнительно подают электрическую энергию от энергетической установки (1) к электролизеру (5), а азот в УПК (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), а также подают водород в УПК (4) под давлением большим или равным давлению в линии (11) подачи азота от УРВ (2).

Дополнительно обеспечивают подачу аммиака и карбамида от УПК (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).

Кислород в энергетическую установку (1) от электролизера (5) и от УРВ (2), подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1).

Водород от электролизера (5) и азот от УРВ (2) подаются в УПК (4) под давлением, большим или равным давлению определяемым условиями проведения реакции получения аммиака, например, по процессу Габера в колонне синтеза аммиака среднего давления - 35 МПа, с температурой 770 К. Часть полученного аммиака подают в колонну синтеза карбамида, входящую в состав УПК (4), куда подается также диоксид углерода от энергетической установки (1), с высокими давлениями и температурами по одной из технологий, например, https://proplast.ru/articles/tehnologiya-i-apparatnoe-obespechenie-proizvodstva/. Комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи неиспользуемой в производстве карбамида части аммиака и самого карбамида от УПК (4) к внешнему потребителю (7).

На представленной фигуре показана схема энерготехнологического комплекса выработки карбамида, 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 карбамида (УПК), работающая на водороде, диоксиде углерода 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 УПК (4);

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

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

12 - линия подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПК (4);

13 - линия подачи диоксида углерода от энергетической установки (1) к УПК (4).

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

Энерготехнологический комплекс 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), что позволяет повысить эффективность комплекса за счет повышение использования сред, циркулирующих в комплексе. 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 также содержит установку (4) производства карбамида (УПК), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2), а также соединенную линией подачи электрической энергии и линией (13) подачи диоксида углерода с энергетической установкой (1), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения аммиака и карбамида.

УПК (4) выполнена с возможностью выработки карбамида и тепловой энергий за счет соединения диоксида углерода, подаваемым по линии (13) от энергетической установки (1), с предварительно вырабатываемым здесь же аммиаком (https://top-technologies.ru/ru/article/view?id-33652), 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) и CO₂ от энергетической установки (1).

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 (12) подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПК (4), дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, линию отвода от УПК (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), что также дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, 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, 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 УПК (4), которая также выполнена с возможностью передачи полученного аммиака внешнему потребителю товарной продукции (7) 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). УПК (4) также способна принимать тепловую энергию по линии 12 от энергетической установки (1), что обеспечивает разогрев УПК (4) при ее запуске и таким образом сокращается время для выхода УПК (4) на оптимальный режим работы и как следствие повышение эффективности комплекса.

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).

Энергией, передаваемой от УПК (4) электролизеру (5) и энергетической установке (1), является тепловая энергия, получаемая в результате экзотермической каталитической реакции соединения водорода с азотом (формула 1) и двух стадийной реакции получения карбамида (CO(NH₂)₂), через карбамата аммония (NH₄COONH₂), при соединении аммиака (NH₃) с диоксидом углерода (СО₂) (формулы 2, 3):

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.

УПК (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.

УПК (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 или насосов может использоваться механическая энергия, а для другой части - электрическая, или один вид энергии для всего оборудования УПК (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 УПК (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 УПК (4) (Технология синтеза аммиака. Аппаратное обеспечение производства //URL: 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).

Диоксид углерода по линии (13) также может подаваться в колонну синтеза карбамида под необходимым высоким давлением, что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет отсутствия необходимости повышения давления диоксида углерода, либо включать один дополнительный компрессор или насос, обеспечивающий повышение давления диоксида углерода для подачи его в колонну синтеза УПК (4) под необходимым давлением.

Также комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи карбамида и аммиака от УПК (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).что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования избытков сред, выработанных при эксплуатации энерготехнологического комплекса получения карбамида.

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. Полученный таким образом водород по линии (9) подачи водорода подают в установку (4) производства карбамида (УПК), в которую также подают азот от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ) и диоксид углерода от энергетической установки (1), при этом в УПК (4) в ходе химических реакций получают аммиак и карбамид, что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезных продуктов - аммиака и карбамида.

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 УРВ (2), и электрическую энергию к УПК (4), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезных продуктов - аммиака и карбамида.

Тепловую энергию от энергетической установки (1) подают в УПК (4), а тепловую энергию из УПК (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 УПК (4), где этот водород соединяется с азотом, поступающим от УРВ (2) по линии (11) (реакция по формуле 1) и далее с диоксидом углерода от энергетической установки (1) для получения карбамида (по формулам 2, 3), 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 и карбамида в УПК (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 подают по линии (11) подачи азота в УПК (4). При этом холод азота перед его поступление в УПК (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.

В энергетической установке (1) получают по меньшей мере диоксид углерода, который по линии (13) подачи углекислого газа подают в УПК (4), где он соединяется с полученным здесь же аммиаком, для выработки карбамида (по формулам 2,3), при этом тепловую энергию, вырабатываемую УПК (4) передают к электролизеру (5) и/или к энергетической установке (1), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ (6) и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат. Так от УПК (4) передают электролизеру (5) тепловую энергию, например, с водой охлаждения колонн 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 УПК (4) передают по меньшей мере часть тепловой энергии с водой охлаждения колонн 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 колонн синтеза аммиака и карбамида, сгенерированного энергией ВИЭ (6), 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 УПК (4) от электролизера (5) подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи водорода в колонну синтеза аммиака, также диоксид углерода к УПК (4) от энергетической установки (1) подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи углекислого газа в колонну синтеза карбамида, 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 давление жидкого диоксид углерода от энергетической установки (1) до требуемых высоких давлений экономично поднимать насосом, а 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 колонны синтеза УПК (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 воды, водорода, диоксида углерода и азота для получения аммиака и карбамида позволяет повысить эффективность комплекса, за счет уменьшения использования энергии в производстве карбамида в сравнении с традиционным его производством, исключив логистику и потери, связанные с отсутствием возможности прямого использования побочных продуктов: кислорода от электролизера - для УПК (4), водорода от электролизера - для энергетической установки (1) и азота от УРВ (2) - для энергоустановки (1) и диоксида углерода выхлопа энергетической установки (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 и карбамида от УПК (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, диоксида углерода 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, карбамида и кислорода, для сжигания углерод содержащего топлива.

Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам выработки аммиака, карбамида, а также тепловой и электрической энергий. Энерготехнологический комплекс содержит энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией (10) 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). Комплекс также содержит установку (4) производства карбамида (УПК), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2), а также соединенную линией подачи электрической энергии и линией (13) подачи диоксида углерода 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 полезных и высокоэнергетических продуктов - аммиака и карбамида. 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 энергий, 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 карбамида (УПК), которая содержит колонну выработки аммиака и выполнена с возможностью выработки карбамида и тепловой энергий за счет соединения диоксида углерода с аммиаком, вырабатываемым в колонне синтеза аммиака УПК (4) за счет соединения водорода и азота по процессу Габера, соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2), а также соединенную линией подачи электрической энергии и линией (13) подачи диоксида углерода с энергетической установкой (1).

2. Комплекс по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит линию (12) подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПК (4), линию отвода от УПК (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 УПК (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 карбамида и аммиака от УПК (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 карбамида (УПК), которая содержит колонну выработки аммиака и выполнена с возможностью выработки карбамида и тепловой энергий за счет соединения диоксида углерода с аммиаком, вырабатываемым в колонне синтеза аммиака УПК (4) за счет соединения водорода и азота по процессу Габера, в которую также подают азот от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ) и диоксид углерода от энергетической установки (1), 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 УРВ (2) и электрическую энергию к УПК (4).

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