Результат интеллектуальной деятельности: ЭНЕРГОХИМИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА, ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ

Изобретение относится к области химии и теплоэнергетики, а именно к области получения технологических газов для производства аммиака, спиртов, альдегидов и других химических продуктов, и может быть использована при утилизации стабильного и нестабильного газового конденсата, отходов нефтехимических производств, обеспечении потребителей водородосодержащим синтез-газом, электрической и тепловой энергией.

Низкое значение коэффициента извлечения традиционных углеводородов, проблема утилизации нестабильного конденсата на малых и средних месторождениях углеводородов, поскольку стабилизация и транспортировка его экономически целесообразна на крупных месторождениях или на специальных предприятиях, образование в больших объемах нефтешламов и отходов нефтеперереработки, а также ограниченность традиционных легкодоступных ресурсов нефти, газа и газового конденсата побуждают разрабатывать меры по повышению энергетической эффективности технологических процессов, а также вовлекать в топливно-энергетический баланс альтернативные виды энергоносителей (нестабильный газовый конденсат, отходы нефтехимических производств, попутный нефтяной газ и другие).

Известна технологическая схема газификации жидких топлив по способу «Тексако» с получением газов для производства аммиака и спиртов (см. Рябцев И.И., Волков А.Е. Производство газа из жидких топлив для синтеза аммиака и спиртов. - М.: Химия, 1968. - С. 66-71), содержащая подогреватель пара и жидкого топлива; газогенератор, в котором образуется газ для синтеза аммиака или спиртов; скруббер для очистки газа от сажи, выделяющейся при газификации, орошением циркулирующей водой и насыщения паром; теплообменники для охлаждения газа; испаритель конденсата; подогреватель кислорода; холодильники; установку для отделения сажи от воды; сажевый фильтр; конвертор СО; регенератор раствора карбоната; кипятильник; сепараторы; скруббер для поглощения СО₂ раствором карбоната; скруббер для поглощения СО₂ раствором моноэтаноламина; регенератор раствора моноэтаноламина; подогреватель раствора моноэтаноламина для регенерации.

Однако данная схема характеризуется повышенной металлоемкостью системы очистки синтез-газа, вызванной применением двух скрубберов. Кроме того, применение в качестве окислителя только кислорода связано с дополнительными энергозатратами на его получение.

Известна также энергометаллургическая установка (А.с. 461238 СССР, М.Кл. F02c 7/02), содержащая конвертер для получения восстановительного газа; турбокомпрессор для подачи сжатого воздуха в конвертер и подключенный к конвертеру металлургический агрегат, при этом турбина турбокомпрессора включена между конвертером и металлургическим агрегатом; а также возможна организация работы установки по второму варианту, отличающемуся тем, что к линии, соединяющей компрессор и конвертер, параллельно подключена установка для получения кислорода.

Однако данная установка характеризуется большой поверхностью нагрева регенеративного подогревателя ввиду низкого коэффициента теплопередачи системы «газ-газ», вследствие чего возрастает металлоемкость установки. Кроме того, применение катализатора для конверсии топлива связано с дополнительными капитальными затратами, а также затратами на его обслуживание и регенерацию.

Известен также комбинированный способ производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива с использованием газотурбинных и парогазовых установок (Пат. 2250872 Россия, МПК С01В 3/32, C10L 3/10, F01K 23/10), содержащий компрессор высокого давления газотурбинной установки для сжатия воздуха необходимого для частичного окисления природного газа; однопроходной реактор синтеза жидкого синтетического топлива с частичным превращением полученного синтез-газа в жидкое топливо; камеру сгорания газотурбинной установки для конверсии оставшегося в реакторе синтеза жидкого топлива энергетического газа; детандер, приводимый в действие энергетическим газом, подогреваемым за счет охлаждения синтез-газа перед реактором синтеза для последующего дожимания воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки.

При этом данный способ имеет ряд недостатков, а именно: относительно низкая надежность ввиду большого числа элементов схемы; ограниченность в выборе используемых топлив, т.к. основным топливом является природный газ; работа газоохладителя при температуре 1100°С возможна только с применением дорогостоящих жаропрочных марок сталей.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является энергетическая газотурбинная установка «Водолей» (см. Цанев С.В. Газотурбинные и парогазовые установки тепловых электростанций / С.В. Цанев, В.Д. Буров, А.Н. Ремезов. - М.: Издательство МЭИ, 2002. - С. 564-565), включающая конденсатор, устанавливаемый на выходном патрубке котла-утилизатора для охлаждения газов до точки росы и конденсации паров в жидкую фазу, которую собирают и возвращают в основной бак для последующей рециркуляции; газотурбинный двигатель; генератор; сепаратор; деаэратор; охладитель конденсированной воды; питательный и циркуляционный насосы; систему водоподготовки котла; насос конденсированной воды; фильтр конденсированной воды. При этом удается уловить воду, полученную в результате химической реакции в процессе сгорания топлива. Подвод части пара в зону горения камер сгорания ГТУ существенно снижает выбросы NO_x.

Недостатками данной установки являются отсутствие выработки тепловой энергии и то, что химический потенциал топлива расходуется только на выработку электроэнергии, т.к. происходит полное окисление топлива, и синтез-газ не образуется.

Техническая проблема, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в необходимости повышения качества получаемого синтез-газа, получения дополнительного целевого продукта - водяного пара и упрощения технологической схемы при снижении себестоимости вырабатываемых продуктов за счет оптимизации капитальных затрат.

Техническим результатом является повышение экономической эффективности установки. Данный эффект достигается за счет комбинированной выработки энергоносителей: электрической и тепловой энергии для отпуска внешним потребителям, синтез-газа, а при возможности коммерческой реализации еще N₂ и CO₂, а также, за счет замены многоступенчатых компрессора и газовой турбины на одноступенчатые, т.к. снижаются капитальные и эксплуатационные расходы, и, как следствие, снижается себестоимость вырабатываемых продуктов. Кроме того, за счет применения системы очистки вырабатываемого синтез-газа повышается реакционная способность синтез-газа в результате удаления из него углекислого газа и доведения соотношения объемных долей СО и Н₂ до требуемых для соответствующей технологии конечного использования.

Поставленная проблема решается тем, что в энергохимической установке для получения синтез-газа, электрической и тепловой энергии, включающей реактор частичного окисления, снабженный входами для жидкого или газообразного топлива, окислителя, водяного пара и выходом для синтез-газа; котел-утилизатор, который снабжен газовым и пароводяным трактами; контактный конденсатор, снабженный отводом дренажа из конденсатора; газотурбинную установку, в цикл которой включен реактор частичного окисления; резервуар для хранения воды; при этом выход реактора частичного окисления соединен со входом в газовую турбину, выход которой связан со входом газового тракта котла-утилизатора, выход газового тракта котла-утилизатора соединен со входом газового тракта контактного конденсатора, а выход пароводяного тракта подключен ко входу реактора частичного окисления и выходу для стороннего потребителя; согласно предлагаемому решению газогенератор при необходимости возможно дополнительно снабдить подводом кислорода от воздухоразделительной станции; выход водяного тракта контактного конденсатора подсоединен ко входу резервуара для хранения воды; резервуар для хранения воды содержит выход для воды, соединенный со входом деаэратора через конденсатный насос и дополнительный выход для воды, соединенный со входом охладителя конденсационной воды через насос конденсационной воды; выход деаэратора связан со входом пароводяного тракта котла-утилизатора через питательный насос, а второй вход деаэратора связан с дополнительным выходом для воды пароводяного тракта сепаратора котла-утилизатора; при этом выход выпара деаэратора связан с атмосферой, а охладитель конденсационной воды снабжен контуром отвода тепловой энергии в окружающую среду. В качестве окислителя используется воздух, кислород или их смесь (обогащенный кислородом воздух). Выход охладителя конденсационной воды соединен со входом водяного тракта контактного конденсатора через фильтр конденсационной воды. Выход газового тракта контактного конденсатора соединен со входом газового тракта скруббера для поглощения кислого газа жидким поглотителем, а вход и выход жидкостного тракта - с выходом и входом жидкостного тракта регенератора жидкого поглотителя через регенеративный теплообменник. Скруббер для поглощения кислого газа жидким поглотителем снабжен контуром отбора тепловой энергии, а регенератор жидкого поглотителя -контуром подвода тепловой энергии.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором представлена энергохимическая установка для получения синтез-газа, электрической и тепловой энергии на базе поточного газогенератора, где: 1 - компрессор;

2 - воздухоразделительная станция;

3 - реактор частичного окисления;

4 - газовая турбина;

5 - электрогенератор;

6 - паровой котел-утилизатор;

7 - контактный конденсатор;

8 - система водоподготовки;

9 - насос конденсационной воды;

10 - охладитель конденсационной воды;

11 - фильтр конденсационной воды;

12 - резервуар для хранения воды;

13 - конденсатный насос;

14 - деаэратор;

15 - питательный насос;

16 - сепаратор;

17 - скруббер для поглощения кислого газа жидким поглотителем;

18 - регенеративный теплообменник;

19 - регенератор жидкого поглотителя;

20 - холодильник;

21 - подогреватель жидкого поглотителя для регенерации.

Энергохимическая установка для получения синтез-газа, электрической и тепловой энергии содержит компрессор 1, реактор частичного окисления 3, снабженный входами для жидкого и газообразного топлива, окислителя, водяного пара и выходом для синтез-газа; котел-утилизатор 6, который снабжен газовым и пароводяным трактами; контактный конденсатор 7, снабженный отводом дренажа из конденсатора; газотурбинную установку, состоящую из компрессора 1, реактора частичного окисления 3, газовой турбины 4 и электрогенератора 5; резервуар для хранения воды 12. Была разработана методика и зарегистрирована программа для ЭВМ (см. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2017615007 от 02.05.2017 г. «Программа расчета реактора частичного окисления топлива», заявка №2017611915 от 10.03.2017 г.), предназначенная для аналитического исследования процесса частичного окисления топлива. Заложенные в программу зависимости позволяют представить процесс частичного окисления топлива в рабочей камере реактора частичного окисления 3 с помощью уравнений констант равновесия реакций водяного сдвига и синтеза метана, при этом учитываются балансовые уравнения по химическим элементам (углероду, водороду, кислороду, а при содержании в исходном сырье сернистых соединений еще и по сере). В программе предусмотрен расчет равновесного выхода продуктов реакции и их температуры с минимальным использованием справочных данных (ввод степеней диссоциации диоксида углерода и водяного пара). Программа позволяет получить качественные и количественные характеристики технологического газа в интервале коэффициентов расхода окислителя от 0,4 до 1, а также оценить геометрические размеры реактора частичного окисления 3. В качестве реактора частичного окисления 3 может быть использована выносная камера сгорания, расположенная в отдельном силовом корпусе и имеющая трубопроводы для подвода топлива, дутьевого пара, воздуха и/или кислорода и отвода газов, например, камера сгорания ГТЭ-35 ХТЗ (см. Руководящий технический материал РТМ 108.022.11-83 «Установки газотурбинные и парогазовые. Расчет и проектирование камер сгорания»). Преобразование химической энергии топлива в тепловую осуществляется в процессе окисления. Процесс окисления в реакторе частичного окисления обеспечивается следующим: подачей воздуха (окислителя) и топлива в количестве, необходимом для создания смеси определенного состава; созданием необходимого температурного уровня; наличием зоны, где скорость перемещения топливовоздушной смеси равна скорости распространения пламени. Эта зона называется зоной стабилизации фронта пламени. Образование топливовоздушной смеси обеспечивается: дроблением топлива; перемешиванием топлива и окислителя; испарением жидкой фазы топлива. Дробление топлива осуществляется форсунками для жидкого топлива и газовыми насадками для газообразного топлива. Перемешивание топлива и окислителя происходит за счет дополнительной турбулизации потока с помощью фронтового устройства. В установке реализовано последовательное соединение (по технологическому циклу) выхода реактора частичного окисления 3 со входом в газовую турбину 4, выход которой связан со входом газового тракта котла-утилизатора 6, вырабатывающего пар; выход газового тракта котла-утилизатора 6 соединен со входом газового тракта контактного конденсатора 7; а выход пароводяного тракта котла-утилизатора 6 подключен ко входу реактора частичного окисления 3 и выходу для стороннего потребителя; реактор частичного окисления 3 возможно дополнительно снабдить подводом кислорода от воздухоразделительной станции 2; пароводяной тракт котла-утилизатора 6 также связан с системой подачи питательной воды, включающей резервуар для хранения воды 12, связанный с трубопроводом возврата конденсата от потребителя; конденсатный насос 13, деаэратор 14, питательный насос 15 и сепаратор 16; выход водяного тракта контактного конденсатора 7 подсоединен ко входу резервуара для хранения воды 12; резервуар для хранения воды 12 содержит выход для воды, соединенный со входом деаэратора 14 через конденсатный насос 13 и дополнительный выход для воды, соединенный со входом охладителя конденсационной воды 10 через насос конденсационной воды 9; для пополнения системы технической водой, насос конденсационной воды 9 соединен также с трубопроводом подачи технической воды через систему водоподготовки 8; выход деаэратора 14 связан со входом пароводяного тракта котла-утилизатора 6, а второй вход деаэратора 14 связан с дополнительным выходом для воды пароводяного тракта сепаратора 16 котла-утилизатора 6; при этом выход выпара деаэратора 14 связан с атмосферой, а охладитель конденсационной воды 10 связан с трубопроводами подачи и отвода технической воды к системе охлаждения конденсационной воды; выход охладителя конденсационной воды 10 соединен со входом водяного тракта контактного конденсатора 7 через фильтр конденсационной воды 11. Выход газового тракта контактного конденсатора 7 соединен со входом газового тракта скруббера для поглощения кислого газа жидким поглотителем 17. Вход и выход жидкостного тракта скруббера для поглощения кислого газа жидким поглотителем 17 через регенеративный теплообменник 18 соединены с выходом и входом жидкостного тракта регенератора жидкого поглотителя 19, при этом выход газового тракта регенератора жидкого поглотителя 19 соединен с трубопроводом отвода кислого газа. Вход жидкостного тракта скруббера для поглощения кислого газа жидким поглотителем 17 дополнительно подсоединен к холодильнику 20, который подсоединен к трубопроводам подачи и отвода технической воды к системе охлаждения регенерированного поглотителя. Регенератор жидкого поглотителя 19 содержит дополнительные вход и выход для регенерируемого поглотителя, соединенные с подогревателем жидкого поглотителя для регенерации 21, который подсоединен к трубопроводам подачи и отвода греющего теплоносителя (дымовые газы, водяной пар и пр.) к системе нагрева регенерируемого поглотителя.

Установка работает следующим образом. Реактор частичного окисления 3 потребляет воздух, технический кислород (98% О₂) или их смесь (обогащенный кислородом воздух) от компрессора 1 и/или воздухоразделительной станции 2 и водяной (дутьевой) пар от парового котла-утилизатора 6 для осуществления технологического процесса газификации жидкого или газообразного топлива. Образовавшиеся при этом продукты реакции поступают в газовую турбину 4, приводящую во вращение электрогенератор 5. Отработавший синтез-газ с давлением необходимым для преодоления аэродинамического сопротивления технологического оборудования и нормального ведения процессов синтеза подают в котел-утилизатор 6, где его охлаждают, и затем направляют в контактный конденсатор 7, где конденсируется водяной пар который отводится в резервуар для хранения воды 12. Далее синтез-газ подают в скруббер для поглощения кислого газа жидким поглотителем 17 для дальнейшей очистки и доведения соотношения компонентов до требуемых значений по технологическому регламенту дальнейшего использования синтез-газа. Подготовленный таким образом синтез-газ, состоящий из азота, водорода и оксида углерода передают технологическому потребителю или могут использовать для генерации энергоносителей (тепловой и электрической энергии). Часть пара, вырабатываемого в котле-утилизаторе 6, подают в реактор частичного окисления 3, оставшийся пар реализуют потребителям. Электрогенератор 5 газотурбинной установки вырабатывает электрическую энергию, передаваемую потребителям. Из резервуара для хранения воды 12 через охладитель конденсационной воды 10, где конденсационная вода охлаждается технической водой из системы оборотного водоснабжения, и фильтр конденсационной воды 11 с использованием насоса конденсационной воды 9 и системы водоподготовки 8, связанной с трубопроводом подачи технической воды к системе водоподготовки, охлажденная вода подается в контактный конденсатор 7. Конденсат от потребителя возвращают в резервуар для хранения воды 12, откуда через деаэратор 14 с использованием конденсатного насоса 13 и питательного насоса 15, питательная вода проходит через экономайзерно-испарительную часть котла-утилизатора 6 и попадает в сепаратор 16, где разделяется на пар и воду. Водяной пар проходит через пароперегревательную часть котла-утилизатора 6 и подается в реактор частичного окисления 3, а также отводится потребителю, а вода возвращается в деаэратор 14. Поглотитель, насыщенный кислым газом, из скруббера для поглощения кислого газа жидким поглотителем 17 подают в регенеративный теплообменник 18, где он забирает тепло у регенерированного поглотителя, и в регенератор жидкого поглотителя 19, где происходит процесс регенерации. При этом из нижней части регенератора жидкого поглотителя 19 отбирается часть регенерируемого поглотителя и проходит через подогреватель жидкого поглотителя для регенерации 21, где нагревается греющим теплоносителем из системы нагрева регенерируемого поглотителя, после чего возвращается в регенератор. Регенерированный поглотитель подают в теплообменник 18, где он отдает тепло поглотителю, насыщенному кислым газом, затем в холодильник 20, где охлаждается технической водой из системы охлаждения жидкого поглотителя, после чего возвращают в скруббер для поглощения кислого газа жидким поглотителем 17.

Побочными продуктами технологического процесса являются газообразный азот от воздухоразделительной станции и кислый газ от регенератора жидкого поглотителя.

Данная установка работает следующим образом. Реактор частичного окисления 3 потребляет воздух, технический кислород (98% О₂) или их смесь (обогащенный кислородом воздух) в количестве до 8170 нм³/час (коэффициент расхода окислителя 0,5 для воздуха) от компрессора со степенью повышения давления до 15, затрачивающий до 1119 кВт электроэнергии и/или воздухоразделительной станции с температурой до 381°С и давлением до 15 атм и водяной (дутьевой) пар от парового котла-утилизатора в количестве до 4200 кг/час (3 кг водяного пара на 1 кг топлива) с температурой до 205°С и давлением до 17 атм для осуществления технологического процесса газификации жидкого или газообразного топлива в количестве до 1400 кг/час. Образовавшиеся при этом продукты реакции в количестве до 16420 нм³/час с температурой 1117°С и давлением 15 атм (при использовании в качестве окислителя воздуха с коэффициентом расхода 0,5, степенью повышения давления компрессора 1 и подачей 4200 кг/час) поступают в газовую турбину со степенью понижения давления равной 3, приводящую во вращение электрогенератор, вырабатывающий до 1842 кВт электроэнергии. Отработавший синтез-газ с температурой 881°С и давлением 5 атм, необходимым для преодоления аэродинамического сопротивления технологического оборудования и нормального ведения процессов синтеза, подают в котел-утилизатор, где его охлаждают до температуры 120°С, и затем направляют в контактный конденсатор, где конденсируется до 4310 кг/час водяного пара, который отводится в резервуар для хранения воды, при этом синтез-газ охлаждается до температуры 20°С. алее синтез-газ в количестве до 10850 нм³/час подают в скруббер для поглощения кислого газа жидким поглотителем в количестве до 84 м /час с температурой 15°С и давлением 5 атм для дальнейшей очистки (содержание кислого газа в синтез-газе после очистки не более 0,5 мольн. %) и доведения соотношения компонентов до требуемых значений по технологическому регламенту дальнейшего использования синтез-газа (отношение мольных долей водорода к мольным долям оксида углерода для синтеза метанола - более 2). Подготовленный таким образом синтез-газ в количестве до 9952 нм³/час с температурой 15°С и давлением 5 атм, состоящий из азота, водорода, оксида углерода и диоксида углерода (64,8; 23,9; 10,8; и 0,5 мольн. % соответственно) передают технологическому потребителю или могут использовать для генерации энергоносителей (тепловой и электрической энергии). Часть пара в количестве до 4200 кг/час, вырабатываемого в котле-утилизаторе, подают в реактор частичного окисления, оставшийся пар в количестве до 2756 кг/час реализуют потребителям. Электрогенератор газотурбинной установки вырабатывает до 1842 кВт электрической энергии, передаваемой потребителям. Из резервуара для хранения воды через охладитель конденсационной воды, где конденсационная вода охлаждается технической водой из системы оборотного водоснабжения до температуры 15°С, и фильтр конденсационной воды с использованием насоса конденсационной воды и системы водоподготовки, связанной с трубопроводом подачи технической воды к системе водоподготовки, охлажденная вода в количестве до 600 м³/час с давлением 5 атм подается в контактный конденсатор. Конденсат от потребителя возвращают в резервуар для хранения воды, откуда через деаэратор с использованием конденсатного насоса и питательного насоса, питательная вода в количестве до 7 м³/час с температурой 15°С и давлением 17 атм проходит через экономайзерно-испарительную часть котла-утилизатора и попадает в сепаратор, где разделяется на пар и воду. Водяной пар в количестве до 6956 кг/час проходит через пароперегревательную часть котла-утилизатора 6 и подается в реактор частичного окисления (4200 кг/час), а также отводится потребителю (2756 кг/час), а вода возвращается в деаэратор. Поглотитель, насыщенный кислым газом, из скруббера для поглощения кислого газа жидким поглотителем подают в регенеративный теплообменник, где он забирает тепло у регенерированного поглотителя, и в регенератор жидкого поглотителя, где происходит процесс регенерации. При этом из нижней части регенератора жидкого поглотителя отбирается часть регенерируемого поглотителя и проходит через подогреватель жидкого поглотителя для регенерации, где нагревается греющим теплоносителем из системы нагрева регенерируемого поглотителя, после чего возвращается в регенератор. Регенерированный поглотитель подают в теплообменник, где он отдает тепло поглотителю, насыщенному кислым газом, затем в холодильник, где охлаждается технической водой из системы охлаждения жидкого поглотителя, после чего возвращают в скруббер для поглощения кислого газа жидким поглотителем.

Таким образом, в заявляемой установке используется ступенчатое охлаждение синтез-газа в котле-утилизаторе и контактном конденсаторе, при этом вырабатывается водяной пар применяемый для повышения содержания водорода в получаемом синтез-газе, а не прореагировавший водяной пар без потерь удаляется. Кроме того, за счет комбинированной выработки энергоносителей снижается их удельная себестоимость и повышается эффективность производства. Использование системы очистки от кислого газа жидким поглотителем на выходе из установки, обеспечивает снижение вредных выбросов в окружающую среду. Применение меньшего числа элементов схемы ведет к повышению надежности.