Способ получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива в плазменной энерготехнологической установке и установка для его осуществления

 

Использование: получение водорода и электроэнергии из твердого низкосортного топлива в энерготехнологических установках тепловых электростанций. Сущность изобретения: синтез-газ после сжатия в компрессоре направляют в узел разделения, состоящий из двух последовательно установленных мембранных установок с компрессором между ними. В первой мембранной установке выделяют метан, а синтез-газ направляют на сжигание в парогенератор. Во второй мембранной установке получают водород, который направляют потребителю, либо частично направляют в плазмохимический реактор. Для осуществления указанного процесса в плазменную энерготехнологическую установку, содержащую плазмохимический реактор, компрессор, парогенератор и турбогенератор, введен узел разделения. Последний имеет две последовательно установленные мембранные установки с компрессором между ними. 2 с. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к получению водорода и электроэнергии из твердого низкосортного топлива и может быть использовано в энерготехнологических установках тепловых электростанций.

Ближайшим к предлагаемому изобретению является известный способ получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива в плазменной энерготехнологической установке, включающий газификацию низкосортного твердого топлива в плазмохимическом реакторе, сжатие полученного синтез-газа в компрессоре, его разделение, направление синтез-газа в парогенератор для генерации водяного пара и выработки электроэнергии в турбогенераторе [1] Там же описана установка для получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива, содержащая плазменную энерготехнологическую установку, выполненную из плазмохимического реактора, компрессора, узла разделения и узла выработки электроэнергии, включающего парогенетор и турбогенератор.

Недостатками известных способа и установки являются отпуск потребителю наряду с дорогостоящим ацетиленом сравнительно дешевых химических продуктов синтез-газа и серы и ограниченные возможности покрытия графика электрических нагрузок, т.е. недостаточная маневренность.

Техническим результатом изобретения является повышение экономичности и маневренности процесса получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива.

Для достижения указанного технического результата при осуществлении способа получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива в плазменной энерготехнологической установке, включающего газификацию низкосортного твердого топлива в плазмохимическом реакторе, сжатие полученного синтез-газа в компрессоре, его разделение и направление синтез-газа в парогенератор для генерации водяного пара и выработки электроэнергии в турбогенераторе, синтез-газ после сжатия в компрессоре направляют в узел разделения, состоящий из последовательно установленных мембранных установок с компрессором между ними, в первой из которых выделяют метан, а синтез-газ направляют на сжигание в парогенератор, а во второй из синтез- газа получают водород, который направляют потребителю либо частично направляют в плазмохимический реактор.

Для достижения указанного технического результата установка для получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива, содержащая плазменную энерготехнологическую установку, выполненную из плазмохимического реактора, компрессора, узла разеделения и узла выработки электроэнергии, включающего парогенератор и турбогенератор, узел разделения содержит две последовательно установленные мембранные установки с компрессором между ними, причем продукт полученный на второй мембранной установке, направляется по двум турбопроводам, один из которых связан с потребителем, а другой с плазмохимическим реактором.

На чертеже представлена принципиальная схема установки.

Установка для получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива содержит плазмохимическую установку, включающую плазмохимический реактор 1 для переработки низкосортного твердого топлива, плазмохимический реактор 2 для переработки метана в ацетилен, закалочный аппарат 3 кипящего слоя с встроенными поверхностями нагрева и компрессор 7. Установка содержит узел выработки электроэнергии, включающий парогенератор 5, сжигающий синтез-газ, турбогенератор 6 для выработки электроэнергии и отпуска пара для осуществления плазмохимического процесса в реакторе 1 и турбогенератор 4 для выработки дополнительной электроэнергии. В установке имеется узел разделения, который содержит последовательно установленные мембранную разделительную установку 8 для выделения из синтез-газа метана и мембранную разделительную установку 10 для выделения из синтез-газа водорода и расположенный между ними компрессор 9. Продукт, полученный на мембранной установке 10, направляется по трубопроводу 18 в плазмохимический реактор, по трубопроводам 19 и 20 потребителю. В установке имеются в соответствии с технологическими потоками трубопровод 11 для перерабатываемого твердого топлива, трубопровод 12 для кислоpода, паропровод 13, трубопровод 14 для серосодержащего продукта, трубопровод 15 для синтез-газа, трубопровод 16 для метана, трубопровод 17 для ацетилена и паропровод 21 для пара, генерируемого в поверхностях нагрева закалочного аппарата 3.

При работе описанной установки предлагаемый способ получения водорода и электроэнергии осуществляется следующим образом.

Предварительно измельченное низкосортное твердое топливо, например волжский сланец, по трубопроводу 11 подают в плазмохимический реактор 1, туда же по трубопроводам 12 и 13 соответственно подают парокислородную смесь при давления пара 2 МПа и температуре 600 К, а от турбогенератора 6 направляют электроэнергию. Процесс в плазмохимическом реакторе 1 осуществляют при Т 1400-1500 К. В реакторе 1 происходит процесс плазменной переработки сланца с образованием синтез-газа (3% СН₄, 8% Н₂; 89% СО). Полученный синтез-газ сжимают в компрессоре 7 до давления 4 МПа и направляют на мембранную разделительную установку 8 для выделения метана (пермеата). А затем подают на сжигание в парогенератоp 5 по трубопроводу 15. Избыток полученного синтез-газа (ретанта) сжимают в компрессоре 9 до давления 4 МПа и направляют на мембранную разделительную установку 10 для выделения водорода (пермеата), который по трубопроводу 19 подают потребителю.

В период максимального электропотребления в энергосистеме (суточного пика графика электрических нагрузок) полученный водород по трубопроводу 18 подают в реактор 1.

Серосодержащий продукт (серу) после реактора 1 по трубопроводу 14 отводят потребителю. Метан после разделительной установки 8 по трубопроводу 16 направляют в реактор 2. В плазмохимическом реакторе 2 метан разлагают при температуре примерно 1900 К с получением ацетилена. Продукты плазмохимической переработки метана подвергают закалке в аппарате 3 с кипящим слоем твердых частиц, куда для интенсификации закалки помещен охлаждаемый трубный пучок, в котором происходит генерация пара, который по паропроводу 21 направляют в турбогенератор 4 для выработки электроэнергии. После разделительной установки 10 полученный синтез-газ (ретант) по трубопроводу 20 отдают потребителю. Пар из парогенератора 5 отправляют в турбогенератор 6 для выработки электроэнергии. Пар из пpомежуточных отборов турбогенератора 6 по паропроводу 13 направляют в плазмохимический реактор 1.

В период максимального электропотребления в энергосистеме (суточного пика электрической нагрузки) увеличивают пропуск пара в конденсатор турбогенератора 6, чтобы обеспечить повышенную выработку электроэнергии. При этом снижают отпуск пара из промежуточного отбора турбогенератора по паропроводу 13 на нужды плазмохимического реактора 1, в котором разлагают твердое топливо. В этот период водяной пар частично заменяют водородом, поступающим по трубопроводу 18, который является хорошим энергоносителем, плазмообразующим агентом и инициирует процесс пиролиза сланца. Содержание водорода в пермеате после разделительной установки 10 достигает 98% В период минимального электропотребления в энергосистеме (суточного провала графика электрических нагрузок) уменьшают пропуск пара в конденсатор турбогенератора 6, снижают выработку электроэнергии турбогенератором 6 до номинальной и увеличивают подачу пара из отборов турбогенератора 6 по паропроводу 13 в реактор 1 для обеспечения плазмотермического процесса. Весь водород, получаемый в этот период после разделительной установки 10 направляют потребителю по трубопроводу 19.

Таким образом обеспечивают повышение экономичности и маневренности заявляемого технического решения по сравнению с прототипом.

Предложенный способ регулирования электрической мощности энерготехнологической установки применяют, когда исчерпаны возможности регулирования выработки электроэнергии энергетическим оборудованием.

Формула изобретения

1. Способ получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива в плазменной энерготехнологической установке, включающий газификацию низкосортного твердого топлива в плазмохимическом реакторе, сжатие полученного синтез-газа в компрессоре, его разделение, направление синтез-газа в парогенератор для генерации водяного пара и выработки электроэнергии в турбогенераторе, отличающийся тем, что синтез-газ после сжатия в компрессоре направляют в узел разделения, состоящий из двух последовательно установленных мембранных установок с компрессором между ними, в первой из которых выделяют метан, а синтез-газ направляют сжигание в парогенератор, а во второй - из синтез-газа получают водород, который направляют потребителю, либо частично направляют в плазмохимический реактор.

2. Установка для получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива, содержащая плазменную энерготехнологическую установку, выполненную из плазмохимического реактора, компрессора, узла разделения и узла выработки электроэнергии, включающего парогенератор и турбогенератор, отличающаяся тем, что узел разделения содержит две последовательно установленные мембранные установки с компрессором между ними, причем продукт, полученный на второй мембранной установке, направляется по двум трубопроводам, один из которых связан с потребителем, а другой - с плазмохимическим реактором.

РИСУНКИ

Рисунок 1