Кислородно-топливная энергоустановка для совместного производства аммиака и электроэнергии Российский патент 2024 года по МПК F02C1/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области химической промышленности и энергетики и может быть использовано при разработке энерготехнологических комплексов для совместного производства аммиака и электроэнергии из угля.

Уровень техники

Известна установка для производства аммиака из синтез-газа, производимого посредством газификации угля (Публ. CN113667514A, МПК C01C1/04, опубл. 19.11.2021), содержащая установку газификации угля, установку конверсии монооксида углерода, установку декарбонизации синтез-газа, установку двойной очистки от метана, установку синтеза аммиака.

Недостатками данного технического решения является наличие выбросов диоксида углерода, а также высокое потребление электроэнергии на собственные нужды станции из внешней сети и отсутствие производства электроэнергии.

Известна кислородно-топливная энергоустановка для совместного производства аммиака и электроэнергии (Muhammad Aziz, Aditya Putranto, Muhammad Kunta Biddinika, Agung Tri Wijayanta, Energy-saving combination of N2 production, NH3 synthesis, and power generation, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 42, Issue 44, 2017, Pages 27174-27183), содержащая воздухоразделительную установку, компрессор, камеру сгорания, газовую турбину, охладитель выхлопных газов, котел-утилизатор, паровую турбину, подогреватель низкого давления, насос, установку для производства аммиака из водорода и азота, первый и второй электрогенераторы.

Недостатками данного технического решения является использование в качестве топлива смеси газообразного аммиака и водорода, что приводит к выбросам в окружающую среду оксидов азота, а также продуктов неполного сгорания аммиака ввиду наличия химического недожога.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является кислородно-топливная энергоустановка (патент РФ № 2775732 C1, МПК F02C 1/08, опубл. 07.07.2022), содержащая компрессор, камеру сгорания, топливный компрессор, воздухоразделительную установку, газовую турбину, котел-утилизатор, охладитель-сепаратор, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением, паровую турбину, содержащую цилиндры высокого, среднего и низкого давления, конденсатор, первый конденсационный насос, подогреватель низкого давления смешивающего типа, второй конденсационный насос, подогреватель низкого давления смешивающего типа, третий конденсационный насос, три подогревателя низкого давления поверхностного типа, деаэратор, питательный насос, три подогревателя высокого давления поверхностного типа, углекислотную турбину, конденсатор, дополнительный насос, три электрогенератора.

Недостатками данного технического решения является невозможность получения дополнительного производимого продукта - аммиака, низкий коэффициент использования тепла топлива (КИТТ), а также использование в качестве топлива природного газа, что не позволяет применять установку в негазифицированных регионах, а также ведет к повышенным издержкам на производство электроэнергии ввиду более высокой стоимости природного газа в сравнении с углем.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в интеграции цикла производства аммиака в кислородно-топливный энергетический цикл установки с целью совместного производства электроэнергии и аммиака и повышения эффективности кислородно-топливной установки.

Технический результат заключается в повышении коэффициента использования тепла топлива (КИТТ) кислородно-топливной установки, а также возможности совместного производства аммиака и электроэнергии.

Это достигается тем, что предлагаемая кислородно-топливная энергоустановка, содержащая компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, котлом-утилизатором, содержащим газоводяной двухпоточный теплообменник, содержащий горячий газовый контур теплоносителя, холодный водяной контур теплоносителя, и охладителем-сепаратором, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом компрессора, топливный компрессор и воздухоразделительную установку, выходы которых соединены с двумя другими входами камеры сгорания, противодавленческую паровую турбину, вход которой соединен с выходом холодного водяного контура теплоносителя газоводяного двухпоточного теплообменника котла-утилизатора, насос, вход которого соединен с источником подготовленной воды, а выход с входом в холодный водяной контур газоводяного теплообменника котла-утилизатора, первый и второй электрогенераторы, расположенные на одном валу с газовой и противодавленческой паровой турбинами соответственно, газовоздушный двухпоточный теплообменник котла-утилизатора, содержащий собственные горячий газовый контур теплоносителя и холодный углекислотный контур теплоносителя, соединенный последовательно с углекислотной турбиной, конденсатором, дополнительным насосом, и третий электрогенератор, установленный на одном валу с углекислотной турбиной, снабжена установкой газификации угля, сепаратором, установкой синтеза аммиака по процессу Габера-Боша, при этом входы установки газификации угля соединены с источником угля и выходом противодавленческой паровой турбины, а выход соединен с входом в топливный компрессор и в сепаратор, выход которого соединен с входом установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша, а другой выход сепаратора также соединен с входом топливного компрессора, при этом другой вход установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша соединен с выходом воздухоразделительной установки, а выход установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша выполнен с возможностью соединения с потребителем жидкого аммиака.

Краткое описание чертежей (если они содержатся в заявке)

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная тепловая схема кислородно-топливной энергоустановки для совместного производства электроэнергии и аммиака.

Осуществление изобретения

Кислородно-топливная энергоустановка содержит компрессор 1, камеру сгорания 2, топливный компрессор 3, воздухоразделительную установку (ВРУ) 4, газовую турбину 5, котел-утилизатор 6, который выполнен в виде двух теплообменников - газоводяного двухпоточного теплообменника 7, содержащего горячий газовый контур теплоносителя 8 и холодный водяной контур теплоносителя 9, а также газовоздушного двухпоточного теплообменника 10, содержащего горячий газовый контур теплоносителя 11 и холодный углекислотный контур теплоносителя 12, охладитель-сепаратор 13, многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением 14, насос 15 и противодавленческую паровую турбину 16, установку газификации угля (Г) 17, сепаратор (С) 18, углекислотную турбину 19, конденсатор 20, дополнительный насос 21, установку для синтеза аммиака посредством процесса Габера-Боша (Г-Б) 22. Генерирующее оборудование установки включает в себя первый электрогенератор 23, второй электрогенератор 24, третий электрогенератор 25, при этом газовая турбина 5 имеет механическую связь с электрогенератором 23, противодавленческая паровая турбина 16 имеет механическую связь с электрогенератором 24, углекислотная турбина 19 имеет механическую связь с электрогенератором 25.

Вход компрессора 1 выполнен с возможностью подачи диоксида углерода, а выход компрессора 1 соединен с первым входом камеры сгорания 2, со вторым входом камеры сгорания 2 соединен выход топливного компрессора 3, а третий вход камеры сгорания 2 соединен с выходом воздухоразделительной установки 4. Выход камеры сгорания 2 соединен с входом газовой турбины 5, выход которой соединен с горячим газовым контуром теплоносителя 8 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6. Выход горячего газового контура теплоносителя 8 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6 соединен с входом горячего газового контура теплоносителя 11 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6, выход которого в свою очередь соединен с входом охладителя-сепаратора 13. Первый выход охладителя-сепаратора 13 параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 14 и входом компрессора 1. Второй выход охладителя-сепаратора 13 выполнен с возможностью отвода конденсата. Выход холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6 последовательно соединен с противодавленческой паровой турбиной 16, установкой газификации угля 17, в то время как вход водяного контура теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6 соединен с насосом 15, который соединен с источником подготовленной воды. Выход холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6 последовательно соединен с углекислотной турбиной 19, конденсатором 20, дополнительным насосом 21, чей выход соединен с входом холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6.

Вход установки газификации угля 17 соединен также с источником угля, выход установки газификации угля 17 соединен с входом сепаратора 18 и входом топливного компрессора 3. Выходы сепаратора 18 соединены с входом установки синтеза аммиака 22 и входом топливного компрессора 3. Другой вход установки синтеза аммиака 22 соединен с другим выходом воздухоразделительной установки 4. Выход установки синтеза аммиака 22 выполнен с возможностью соединения с потребителем жидкого аммиака.

Кислородно-топливная энергоустановка для совместного производства аммиака и электроэнергии работает следующим образом.

На вход компрессора 1 подается поток рабочей среды, который после сжатия в компрессоре 1 направляется на первый вход камеры сгорания 2, на второй вход подается синтез-газ, предварительно сжатый в топливном компрессоре 3, а на третий вход подается кислород, полученный в воздухоразделительной установке 4. После сгорания горячей смеси и выработки полезной работы в газовой турбине 5, которая вращает первый электрогенератор 23, выхлопные газы проходят через горячий газовый контур теплоносителя 8 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6, где они передают свою теплоту рабочей среде холодного водяного контура теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6, после чего поступают на вход в горячий газовый контур теплоносителя 11 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6, в котором происходит процесс передачи теплоты холодному углекислотному контуру теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6. Затем выхлопные газы попадают в охладитель-сепаратор 13, в котором происходит конденсация водяных паров и удаление образовавшегося конденсата из цикла через второй выход охладителя-сепаратора 13. Углекислый газ из охладителя-сепаратора 13 удаляется через первый выход. Образовавшийся в результате сжигания синтез-газа избыток диоксид углерода сжимается в многоступенчатом компрессоре с промежуточным охлаждением 14 и направляется на захоронение, а оставшаяся рабочая среда снова направляется на вход многоступенчатого компрессора 1. Перегретый пар, выработанный в холодном водяном контуре теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6, расширяясь, совершает работу в паровой противодавленческой турбине 16, которая вращает второй электрогенератор 24, при этом подачу воды в холодный водяной контур теплоносителя 9 газоводяного двухпоточного теплообменника 7 котла-утилизатора 6 обеспечивает насос 15. После совершения работы в паровой противодавленческой турбине 16 пар направляется в установку газификации угля 17, где в ходе реакции риформинга совместно с углем преобразуется в синтез-газ, часть которого направляется в сепаратор 18, а остальная часть направляется на вход в топливный компрессор 3. В сепараторе 18 синтез-газ разделяется на монооксид углерода и водород, при этом водород направляется на вход установки синтеза аммиака 22, а монооксид углерода подмешивается к синтез-газу, который направляется в топливный компрессор 3. На другой вход установки синтеза аммиака 22 подается азот из выхода воздухоразделительной установки 4. В установке синтеза аммиака 22 осуществляется процесс Габера-Боша, позволяющий из азота и водорода получить жидкий аммиак, который направляется потребителю.

Нагретая рабочая среда холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6 поступает в углекислотную турбину 19, которая вращает третий электрогенератор 25, в которой, расширяясь, совершает полезную работу, после чего направляется конденсатор 20. Образовавшийся конденсат дополнительным насосом 21 подается на вход холодного углекислотного контура теплоносителя 12 газовоздушного двухпоточного теплообменника 10 котла-утилизатора 6.

Результаты моделирования показали, что коэффициент использования тепла топлива (КИТТ) кислородно-топливной установки повысился по сравнению с прототипом примерно на 15% за счет отсутствия в паротурбинном контуре потерь теплоты при охлаждении в конденсаторе (потерь с холодным источником), при этом весь выходящий из противодавленческой паровой турбины пар высоких параметров направляется для полезного использования в установку газификации угля для производства синтез-газа, что позволяет считать его продуктом при расчете КИТТ пароводяного цикла и установки в целом.

Использование изобретения позволяет повысить коэффициент использования теплоты топлива установки за счет отсутствия потерь энергии с холодным источником в водяном контуре, использовать в качестве первичного топлива уголь за счет наличия установки газификации угля, что позволяет применять установку в негазифицированных регионах, а также осуществлять совместное производство аммиака и электроэнергии за счет наличия установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша.

Изобретение относится к области химической промышленности и энергетики и может быть использовано при разработке энерготехнологических комплексов для совместного производства аммиака и электроэнергии из угля. Кислородно-топливная энергоустановка содержит компрессор (1), камеру сгорания (2), топливный компрессор (3), воздухоразделительную установку (4), газовую турбину (5), котел-утилизатор (6), который выполнен в виде двух теплообменников - газоводяного двухпоточного теплообменника (7), содержащего горячий газовый контур теплоносителя (8) и холодный водяной контур теплоносителя (9), а также газовоздушного двухпоточного теплообменника (10), содержащего горячий газовый контур теплоносителя (11) и холодный углекислотный контур теплоносителя (12), охладитель-сепаратор (13), многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением (14), насос (15) и противодавленческую паровую турбину (16), установку газификации угля (17), сепаратор (18), углекислотную турбину (19), конденсатор (20), дополнительный насос (21), установку для синтеза аммиака посредством процесса Габера-Боша (22). Входы установки газификации угля (17) соединены с источником угля и выходом противодавленческой паровой турбины (16), а выход соединен с входом в топливный компрессор (3) и в сепаратор (18), выход которого соединен с входом установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша (22). Другой выход сепаратора (18) также соединен с входом топливного компрессора (3). Другой вход установки синтеза аммиака (22) соединен с выходом воздухоразделительной установки (4), а выход выполнен с возможностью соединения с потребителем жидкого аммиака. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования тепла топлива (КИТТ) кислородно-топливной установки, а также возможности совместного производства аммиака и электроэнергии. 1 ил.

Кислородно-топливная энергоустановка, содержащая компрессор, выход которого соединен с входом камеры сгорания, выход которой последовательно соединен с газовой турбиной, котлом-утилизатором, содержащим газоводяной двухпоточный теплообменник, содержащий горячий газовый контур теплоносителя, холодный водяной контур теплоносителя, и охладителем-сепаратором, выход которого параллельно соединен с входом многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением и с входом компрессора, топливный компрессор и воздухоразделительную установку, выходы которых соединены с двумя другими входами камеры сгорания, противодавленческую паровую турбину, вход которой соединен с выходом холодного водяного контура теплоносителя газоводяного двухпоточного теплообменника котла-утилизатора, насос, вход которого соединен с источником подготовленной воды, а выход с входом в холодный водяной контур газоводяного теплообменника котла-утилизатора, первый и второй электрогенераторы, расположенные на одном валу с газовой и противодавленческой паровой турбинами соответственно, газовоздушный двухпоточный теплообменник котла-утилизатора, содержащий собственные горячий газовый контур теплоносителя и холодный углекислотный контур теплоносителя, соединенный последовательно с углекислотной турбиной, конденсатором, дополнительным насосом, и третий электрогенератор, установленный на одном валу с углекислотной турбиной, отличающаяся тем, что снабжена установкой газификации угля, сепаратором, установкой синтеза аммиака по процессу Габера-Боша, при этом входы установки газификации угля соединены с источником угля и выходом противодавленческой паровой турбины, а выход соединен с входом в топливный компрессор и в сепаратор, выход которого соединен с входом установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша, а другой выход сепаратора также соединен с входом топливного компрессора, при этом другой вход установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша соединен с выходом воздухоразделительной установки, а выход установки синтеза аммиака по процессу Габера-Боша выполнен с возможностью соединения с потребителем жидкого аммиака.