×
10.02.2015
216.013.22e5

Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ И ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ

Вид РИД

Изобретение

Аннотация: Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а более конкретно к способу и установке для утилизации попутных нефтяных газов. Способ утилизации попутных нефтяных газов, содержащих сероводород, заключается в сжигании газов в камере сгорания и преобразовании выделяющейся тепловой энергии в электрическую со съемом электроэнергии с вращающейся турбины, при этом газы сжигают, организуя присутствие в камере сгорания возбужденного молекулярного кислорода в синглетном состоянии, обеспечивая повышение полноты сгорания и увеличение эффективности преобразования химической энергии реагентов в тепловую энергию, выделяющуюся при горении, продукты сгорания, содержащие SO, отводят и доокисляют до SO в камере доокисления, организуя дополнительное присутствие синглетного кислорода, образовавшиеся продукты охлаждают до температуры ниже температуры конденсации бинарного аэрозоля HO/HSO, генерируют в них ионы , , HO и формируют конденсированную фазу бинарного сульфатного аэрозоля HO/HSO, сульфатный аэрозоль отводят, отделяют от него пары воды и выделяют конденсат серной кислоты HO/HSO. Газотурбинная установка содержит камеру сгорания и турбину, соединенную с электрогенератором, камеру доокисления, газоразрядную ячейку, связанную с камерой сгорания и камерой доокисления, охлаждающее устройство в виде теплообменника, многоострийный электрод коронного разряда и сепаратор. Изобретение обеспечивает повышение полноты сгорания попутных нефтяных газов и утилизацию серосодержащих продуктов сгорания переводом их в серную кислоту. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, а более точно - к способам и газотурбинным установкам для утилизации попутных нефтяных газов.

Широко известна утилизация сжиганием попутных газов, которая практикуется сегодня на большинстве месторождений России и наносит серьезных экологический ущерб. При этом расходуется ценное сырье и упускается существенная экономическая выгода от его переработки и использования в энергетике и в химической промышленности.

В настоящее время остро стоит вопрос об утилизации попутных нефтяных газов. Попутные газы состоят из таких фракций, как CH4 (метан), C3H8 (пропан), C4H10 (бутан), и, кроме того, включают H2S.

Особенно сильно эта проблема проявляется для России, поскольку наши месторождения нефти и газа характеризуются повышенным содержанием серных соединений. Например, в попутных нефтяных газах доля сероводорода (H2S) достигает 25-30%.

Известно полезное использование попутных нефтяных или сырых природных газов в энергоустановках.

Известен способ утилизации попутного нефтяного газа, повышающий степень его использования, в котором в турбину сжатия подают воздух и попутный нефтяной газ (патент РФ 2473785). Сжатые газ и воздух направляют в камеру сгорания, где происходит горение. Тепло расширяющегося горячего газа заставляет вращаться рабочую турбину, которая вращает компрессор и ротор электрического генератора. Воду, получаемую из скважины, из которой добывается нефть, предварительно очищают от примесей и с помощью насоса, приводимого во вращение от вала газовой турбины, пропускают через экономайзер, куда подают горячий воздух, идущий от рабочей турбины. Горячую воду используют для хозяйственных нужд.

Известна переработка попутного нефтяного газа в электроэнергию, повышающая эффективность использования углеродного топлива и улучшающая экологию окружающей среды с использованием в установке, содержащей воздушный компрессор, турбину, камеру сгорания, электрогенератор и устройство подогрева воздуха после компрессора, включающее в себя теплообменный аппарат-регенератор, расположенный в выхлопной трубе. Камера сгорания с выхлопной трубой выполнена в виде наземной факельной установки сжигания попутного нефтяного газа. Компрессор оснащен электроприводом (патент РФ №2482302).

Известно сжигание попутных нефтяных газов, обеспечивающее повышение экологической чистоты утилизации попутного нефтяного газа за счет более качественного и полного сжигания попутного газа при высоких температурах в турбулентном режиме горения (патент РФ №2484374) в универсальной установке для утилизации нефтяных отходов бурения. Установка снабжена футерованной циклонной камерой сжигания с тангенциально подведенными каналами попутного газа и воздушной рубашкой охлаждения, вентилятором, подающим воздух в рубашку охлаждения, дополнительной дымовой трубой с заслонкой и инжектирующими отверстиями. Каналы попутного газа в циклонной камере сжигания выполнены с наконечниками в виде форсунок, в которые подается воздух из рубашки охлаждения, горелочное устройство расположено в передней торцевой части циклонной камеры сжигания, конденсатор водяных паров соединен с конденсатосборником.

Известные технические решения не устраняют экологический ущерб от выброса серосодержащих соединений.

Известен способ очистки попутного газа от сероводорода, представляющий собой электрофизический метод превращения сероводорода в плазме барьерного разряда без применения катализаторов, адсорбентов, щелочных растворов и аминовых реагентов. Очистку осуществляют в плазмохимическом реакторе с барьерным разрядом при амплитуде высоковольтных импульсов напряжения 5,5 кВ и частоте повторения от 500 до 3500 Гц, содержании в исходной смеси: сероводорода от 1,9 до 9,4% об.; воздуха от 1,1 до 76,6% об.; воды до 0,9% об.; углекислого газа до 11,4% об.; гелия до 8,3% об. (патент РФ №2477649).

Известное техническое решение имеет частный узкий характер, т.к. приспособлено к определенному составу попутного газа, содержащего сероводород в количестве от 1,9 до 9,4% об.

В основу изобретения положена задача создания способа и устройства, позволяющего увеличить эффективность преобразования химической энергии реагентов в тепловую и электрическую энергию, снизить выброс вредных веществ в окружающую среду при утилизации попутных нефтяных газов.

Технический результат - повышение полноты сгорания попутных нефтяных газов и утилизация серосодержащих продуктов сгорания путем перевода их в полезный продукт - серную кислоту H2SO4.

Поставленная задача решается тем, что в способе утилизации попутных нефтяных газов, содержащих сероводород, путем сжигания нефтяного газа в камере сгорания и переработки продуктов горения в серную кислоту с получением электроэнергии от вращающейся турбины, нефтяные газы сжигают, организуя присутствие в камере сгорания возбужденного молекулярного кислорода в синглетном состоянии O2(a1Δg) и увеличивая таким образом полноту сгорания, продукты сгорания, содержащие SO2, отводят и доокисляют до SO3, организуя дополнительное присутствие синглетного кислорода, образовавшиеся продукты охлаждают до температуры ниже температуры конденсации бинарного аэрозоля H2O/H2SO4, генерируют в них ионы , , H3O+ и формируют конденсированную фазу бинарного сульфатного аэрозоля H2O/H2SO4, сульфатный аэрозоль отводят, отделяют от него пары воды и выделяют конденсат серной кислоты.

Для интенсификации конденсации бинарного аэрозоля H2O/H2SO4 на продукты, после доокисления и охлаждения в теплообменнике, воздействуют многоострийным (многоточечным) коронным разрядом, который генерирует значительное количество ионов , , H3O+.

Целесообразно, если в камере доокисления SO2 синглетный кислород присутствует в количестве до ~4% от обычного кислорода в основном состоянии, а в камере сгорания - в количестве не менее 2% от обычного кислорода.

Поставленная задача решается также тем, что газотурбинная установка для утилизации попутных нефтяных газов, содержащая камеру сгорания и турбину, соединенную с электрогенератором для получения электроэнергии от вращающейся турбины, дополнительно содержит камеру доокисления, размещенную за турбиной, газоразрядную ячейку для генерации синглетного кислорода, связанную с камерой сгорания и камерой доокисления, размещенные за камерой окисления охлаждающее устройство в виде теплообменника, многоострийный электрод коронного разряда и сепаратор, например центробежный.

В дальнейшем изобретение поясняется описанием и чертежом, на котором представлена принципиальная схема газотурбинной установки для утилизации попутных нефтяных газов согласно изобретению.

Воспламенить попутный газ, состоящий из сероводорода H2S, при атмосферном давлении в воздухе даже со стехиометрическим соотношением топлива и окислителя удается лишь при начальной температуре ~850-900 K, температура продуктов горения (в основном SO2 и H2O) при сжигании стехиометрической смеси H2O + воздух при атмосферном давлении достигает ~2500 K, при этом сероводород имеет невысокую полноту сгорания и, кроме того, в результате его сжигания окружающая среда загрязняется оксидами серы.

Способ для утилизации попутных нефтяных газов согласно изобретению может быть реализован посредством газотурбинной установки, принципиальная схема которой представлена на чертеже, на котором 1 - камера сгорания, 2 - турбина, 3 - камера доокисления, 4 - теплообменник, 5 - центробежный сепаратор, 6 - разрядная ячейка (генератор синглетного кислорода), 7 - многоострийный электрод коронного разряда (генератор ионов), 8 - съем электроэнергии с вращающейся турбины, 9 - конденсат серной кислоты, 10 - съем тепла с теплообменника.

Для увеличения полноты сгорания предлагается осуществлять сжигание в камере сгорания попутных нефтяных газов в присутствии синглетного кислорода. Добавление синглетного кислорода даже в кол-ве 2% (в мольных долях) от нормального молекулярного кислорода в основном электронном состоянии позволяет понизить температуру воспламенения до ~550 K и увеличить долю химической энергии, запасенной в смеси H2O + воздух, выделяющейся в виде тепловой энергии при горении.

Синглетный кислород является общим названием электронно-возбужденных состояний молекулярного кислорода, также обозначаемых в спектроскопии как O2(a1Δg) или . Из-за различия в электронных оболочках его свойства отличны от обычного нормального кислорода . Синглетный кислород является химически более активным, но менее стабильным, чем кислород в нормальном (основном) состоянии.

Энергетически выгодно получать синглетный кислород в электрическом разряде с приведенной напряженностью электрического поля E/N=(10-20)·10-16 В·см2. При атмосферном давлении такие значения E/N реализуются только в несамостоятельном разряде, например в комбинированном скрещенном разряде, состоящем из высоковольтного, высокочастотного разряда и разряда прямого тока.

Чтобы энергию, высвободившуюся при горении, можно было удобно передавать к потребителю, ее надо преобразовать в электрическую. Для этого в установке после камеры сгорания 1 продукты горения проходят через турбину 2, в которой они отдают свою тепловую энергию, расширяясь и охлаждаясь. Чем больше расширение газов, тем большая доля тепловой энергии в турбине преобразуется в механическую. При этом температура продуктов горения неизбежно падает.

Согласно изобретению такой компонент продуктов сгорания, как SO2, очень вредный с экологической точки зрения, отфильтровывают, чтобы он не попал в атмосферу.

Для этого его доокисляют до SO3 в присутствии синглетного кислорода с последующим получением газообразной серной кислоты H2SO4 в реакции SO3+H2O=H2SO4.

Диоксид серы SO2 даже при достаточно высокой температуре выхлопа 800-900 K не окислятся до SO3 без специальных воздействий.

Чтобы при указанной температуре перевести (доокислить) SO2 в SO3 необходимо возбуждать молекулярный кислород в синглетное состояние O2(a1Δg) и обеспечивать определенное его количество в камере дооксиления. Установлено, что реакция SO2+O2(a1Δg)=SO3+O протекает на несколько порядков величины быстрее, чем реакция окисления SO2 обычным молекулярным кислородом. Присутствие синглетного кислорода O2(a1Δg) в количестве до ~4% от обычного кислорода в основном состоянии переводит примерно 70% SO2 в SO3 даже при относительно низкой температуре 900 K на приемлемой длине камеры доокисления (<1 м).

Далее, продукты сгорания охлаждают в теплообменнике до 400-300°K, чтобы из SO3 при температуре 800-900 K получить газообразный H2SO4, т.к. именно при таких температурах эффективно протекает реакция ассоциации SO3+H2O=H2SO4.

Чтобы получить конденсированную фазу H2O/H2SO4 при таких температурах, смесь продуктов сгорания, включающую SO2, SO3, H2O и H2SO4, подвергают воздействию слаботочного, например коронного, разряда. В результате чего в смеси генерируются (образуются) ионы , , H3O+, которые являются центрами формирования ионных ассоциатов серной кислоты в воде H3O+(H2SO4)n(H2O)m и , на основе которых формируются из бинарного раствора H2O/H2SO4 жидкие частицы нанометрового размера (с диаметром d=5-20 нм). Для эффективной конденсации H2O/H2SO4 необходимо иметь концентрацию ионов H3O+, , как зародышей конденсации на уровне ~1011-1012 см-3.

После этого выделяют конденсат H2SO4 сепарацией образовавшихся газов и аэрозольных частиц.

Газотурбинная установка для организации возбуждения молекулярного кислорода в синглетное состояние O2(a1Δg) снабжена газоразрядной ячейкой 6, связанной с камерой сгорания 1 и камерой доокисления 3, установка содержит также теплообменный аппарат 4 для организации охлаждения и многоострийный электрод 7 коронного разряда для интенсификации образования H2SO4.

Многоточечный коронный разряд - наиболее эффективный источник ионов, в котором энергия практически не тратится на возбуждение атомов и молекул в другие состояния, ориентирован вдоль потока. Сетчатый многоострийный электрод коронного разряда для создания однородного поля ионов должен располагаться поперек потока в теплообменнике и может быть выполнен в виде поперечной сетки, в узлах которой продольно потоку расположены острия электродов. На сетке набегающий поток создает вихревую пелену, что способствует эффективному перемешиванию выхлопных газов и ионов и образованию аэрозоля, содержащего конденсат H2SO4.

Выделение конденсата H2SO4 проводят в сепараторе с осевой закруткой (центробежный сепаратор), чтобы конденсат выделялся на стенках.

Способ осуществляют при работе установки следующим образом.

Попутные нефтяные газы, содержащие H2S, сжигают в камере сгорания 1 газотурбинной установки (ГТУ), организуя присутствие в камере сгорания возбужденного молекулярного кислорода в синглетном состоянии O2(a1Δg) электрическим разрядом с приведенной напряженностью электрического поля E/N=(10-20)·10-16 В·см2, генерируемого в газоразрядной ячейке 6, связанной с камерой сгорания 1 и камерой доокисления 3, установка содержит также теплообменник 4 для организации охлаждения и многоострийный электрод 7 коронного разряда для интенсификации образования бинарных аэрозольных частиц H2O/H2SO4. Синглетный кислород O2(a1Δg) в камере сгорания присутствует в количестве не менее 2% от обычного кислорода в основном состоянии.

Образующиеся продукты сгорания, содержащие SO2, поступают в газовую турбину 2, соединенную с электрогенератором 8 для съема энергии с вращающейся турбины.

Охлажденные в турбине 2 продукты горения после турбины 2 поступают в камеру доокисления 3, где также организуется присутствие возбужденного молекулярного кислорода в синглетном состоянии O2(a1Δg) путем его подачи от газоразрядной ячейки 6, в которой организован электрический разряд с приведенной напряженностью электрического поля E/N=(10-20)·10-16 В·см2. Реакция SO2+O2(a1Δg)=SO3+O протекает на несколько порядков величины быстрее, чем реакция окисления обычным молекулярным кислородом O2(X3Σg-). Присутствие в количестве до ~4% синглетного кислорода от обычного кислорода в основном состоянии переводит примерно 70% SO2 в SO3 при температуре 900 K на длине камеры доокисления ~1 м.

Далее продукты из камеры доокисления 3 поступают в теплообменник 4, на выходе из которого реализуется температура ниже температуры конденсации сульфатного бинарного аэрозоля H2O/H2SO4, с которого осуществляется съем тепловой энергии, которая является дополнительным полезным продуктом переработки попутных газов.

На продукты доокисления в выходной части теплообменника воздействуют многоточечным (многоострийным) коронным разрядом. Образуются ионы , , H3O+, которые являются центрами формирования ионных ассоциатов в воде H3O+(H2SO4)n(H2O)m и , на основе которых формируется сульфатный бинарный раствор H2O/H2SO4 (сульфатный аэрозоль).

Сульфатный аэрозоль, содержащий жидкие частицы H2O/H2SO4 и пары воды, отводят в центробежный сепаратор 5, который отделяет конденсированную фазу H2O/H2SO4 от паров воды. Выделенный конденсат 9 серной кислоты может быть использован как целевой продукт.


СПОСОБ И ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
СПОСОБ И ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
СПОСОБ И ГАЗОТУРБИННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ПОПУТНЫХ НЕФТЯНЫХ ГАЗОВ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 191-200 из 215.
10.07.2019
№219.017.b060

Способ диагностики радиального зазора в шарикоподшипниках

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в технологических процессах виброконтроля и вибродиагностики состояния шарикоподшипников машин, например газотурбинных двигателей. Изобретение направлено на повышение производительности, информативности и качества...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002432560
Дата охранного документа: 27.10.2011
17.08.2019
№219.017.c0f7

Способ испытания газотурбинного двигателя в термобарокамере высотного стенда

Изобретение относится к испытаниям газотурбинных двигателей, в частности к способам испытаний для определения высотно-скоростных характеристик газотурбинных двигателей в имитируемых полетных условиях по схеме с присоединенным трубопроводом, и может найти применение в авиационной промышленности....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697588
Дата охранного документа: 15.08.2019
17.08.2019
№219.017.c110

Электродвигатель с внешним ротором и системой охлаждения статора

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к охлаждению статора обращенной машины. Технический результат - повышение надежности и КПД. Электродвигатель с внешним ротором и системой охлаждения статора включает статический вал, установленный в подшипниковой опоре, концентрично...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697511
Дата охранного документа: 15.08.2019
05.09.2019
№219.017.c70d

Способ изготовления изделия из огнеупорных материалов методом трехмерной печати

Изобретение относится к способам изготовления изделий из огнеупорных материалов методом трехмерной печати и может найти применение в различных отраслях машиностроения. Способ заключается в том, что при изготовлении изделия из огнеупорных материалов методом трехмерной печати в камере...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002699144
Дата охранного документа: 03.09.2019
02.10.2019
№219.017.ccd4

Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц бора

Изобретение относится к тепловым двигателям, в которых для производства механической работы используется теплота сгорания твердого топлива, в частности топлива из трудновоспламеняемых наночастиц бора. Способ характеризуется тем, что наночастицы бора пассивируют твердыми покрытиями с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002701249
Дата охранного документа: 25.09.2019
04.10.2019
№219.017.d20c

Система крепления вспомогательного оборудования к газотурбинному двигателю летательного аппарата

Изобретение относится к области авиационного машиностроения, а конкретно к системам крепления вспомогательного оборудования к газотурбинному двигателю летательного аппарата. Система крепления вспомогательного оборудования к газотурбинному двигателю летательного аппарата содержит пилон, имеющий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002701980
Дата охранного документа: 02.10.2019
10.10.2019
№219.017.d414

Способ испытания газотурбинного двигателя

Изобретение относится к испытаниям газотурбинных двигателей, в частности к способам испытаний газотурбинных двигателей в боксах испытательных стендов. Способ характеризуется тем, что определяют величину приведенной тяги двигателя в испытательном боксе испытательного стенда с механически...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002702443
Дата охранного документа: 08.10.2019
24.10.2019
№219.017.da75

Способ изготовления полого диска из жаропрочного сплава

Изобретение относится к способам изготовления полых дисков из жаропрочных сплавов и может найти применение при изготовлении высокотемпературных роторов турбин газотурбинных двигателей. Две осесимметричные половины диска, содержащие ступицу с прорезью, две стенки и обод с обращенными друг к...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002704045
Дата охранного документа: 23.10.2019
30.10.2019
№219.017.dba2

Способ лазерной сварки полых изделий

Изобретение относится к способам лазерной сварки полых изделий и может быть использовано в технологических процессах изготовления пустотелых дисков турбин, компрессоров и вентиляторов газотурбинных двигателей. В способе лазерной сварки полых изделий на стыкуемые кромки подают лазерный луч с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002704353
Дата охранного документа: 28.10.2019
15.11.2019
№219.017.e2e9

Универсальная уборочная машина

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для очистки взлетно-посадочных полос, автомагистралей и любых искусственных и естественных покрытий от льда, снега, щебня, гравия и другого смета. Универсальная уборочная машина содержит установленные на шасси генератор газового...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002706199
Дата охранного документа: 14.11.2019
Показаны записи 91-95 из 95.
10.07.2018
№218.016.6ebf

Способ инициирования импульсной детонации

Изобретение относится к способам детонационного сжигания топлива и может быть использовано для инициирования импульсной детонации в топливно-воздушной смеси в энергетических установках, импульсных детонационных двигателях. Способ инициирования импульсной детонации топливно-воздушной смеси...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002659415
Дата охранного документа: 02.07.2018
19.06.2019
№219.017.8b56

Импульсный детонационный ракетный двигатель

Импульсный детонационный ракетный двигатель содержит камеру сгорания, вход которой служит для порционного ввода детонационного топлива, систему импульсного зажигания и устройство запирания выхода камеры сгорания в момент заполнения ее порцией детонационного топлива и тяговое осесимметричное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002442008
Дата охранного документа: 10.02.2012
02.10.2019
№219.017.ccd4

Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц бора

Изобретение относится к тепловым двигателям, в которых для производства механической работы используется теплота сгорания твердого топлива, в частности топлива из трудновоспламеняемых наночастиц бора. Способ характеризуется тем, что наночастицы бора пассивируют твердыми покрытиями с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002701249
Дата охранного документа: 25.09.2019
20.04.2023
№223.018.4b54

Способ удаления кислорода из жидкого топлива

Способ может применяться в системах подачи жидкого топлива в камеру сгорания авиационных двигателей в процессе их работы, в топливных магистралях нефтеперерабатывающих комплексов и иных топливных системах. Для удаления кислорода на жидкое топливо одновременно в течение заданного времени...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002766511
Дата охранного документа: 15.03.2022
23.05.2023
№223.018.6ed7

Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц

Изобретение относится к тепловым двигателям, в которых для производства механической работы используется теплота сгорания твердого топлива из трудновоспламеняемых наночастиц. Способ диспергирования трудновоспламеняемых наночастиц, состоящих из ядра и оболочки, заключается в том, что...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002744462
Дата охранного документа: 09.03.2021
+ добавить свой РИД