Комбинированный способ производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива с использованием газотурбинных и парогазовых установок

Изобретение относится к энергетике, в частности к способам получения электроэнергии в газотурбинных и парогазовых установках с использованием синтез-газа в качестве топлива для этих установок, а также для получения жидкого синтетического топлива. Способ включает частичное окисление углеводородного топлива в потоке сжатого воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки с последующим дожиманием, получение синтез-газа, его охлаждение и экологическую очистку, подачу полученного синтез-газа в однопроходной реактор синтеза жидкого синтетического топлива с частичным превращением синтез-газа в жидкое топливо. Оставшийся в реакторе синтеза жидкого синтетического топлива энергетический газ выводят в камеру сгорания газотурбинной установки, при этом степень конверсии синтез-газа выбирают из условия поддержания температуры рабочего тела на входе в газовую турбину в зависимости от типа газотурбинной установки, используемой для производства электроэнергии, а последующее дожимание воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки, осуществляют с помощью детандера, приводимого в действие энергетическим газом, подогреваемым за счет охлаждения синтез-газа перед реактором синтеза. Изобретение позволяет одновременно организовать производство электроэнергии и получения синтетических жидких топлив. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, в частности к способам получения электроэнергии в газотурбинных и парогазовых установках с использованием синтез-газа в качестве топлива для этих установок, а также для получения жидкого синтетического топлива.

Основу современной энергетики составляют тепловые электростанции на органическом топливе и двигатели внутреннего сгорания на жидком нефтяном топливе.

Их перспективное развитие связано с решением трех основных проблем.

1. Повышение эффективности использования топлива в связи с ростом его стоимости. Эта проблема решается, главным образом, за счет создания высокоэкономичных парогазовых установок с высокотемпературными газовыми турбинами.

2. Получение жидких моторных топлив не из нефти, а из природного газа и угля, т.к. ресурсы последних существенно выше, чем ресурсы нефти.

Основные технологические процессы получения синтетического жидкого топлива базируются на их синтезе из синтез-газа, получаемого, главным образом, путем парокислородной конверсии исходного углеводородного топлива.

Однако в настоящее время эти процессы не могут конкурировать с производством моторных топлив из нефти по экономическим соображениям, хотя в ряде регионов, в частности в Южно-Африканской республике существуют промышленные установки.

3. Экологические проблемы, связанные с выбросом в окружающую среду диоксида углерода, токсичных оксидов серы, оксидов азота и летучей золы.

Существующие методы предотвращения вредных выбросов в окружающую среду приводят к значительному росту стоимости генерируемой энергии.

Предлагаемое изобретение преследует цель решить с максимальной эффективностью одновременно указанные три проблемы в одном энергохимическом комплексе за счет рационального объединения технологий.

При этом эффект достигается за счет взаимного переплетения технологий, при котором одной технологической операцией решается несколько целевых задач.

Известен способ получения синтез-газа из твердого или жидкого углеводородного топлива путем их парокислородной газификации и использования полученного синтез-газа для получения метанола и в качестве топлива для парогазовых установок (Drow D.P. et.al. "Fuel and Power Coproduction - The Liquid Phase Method (LPMEH TM) Process Demonstration at Kingsport", Fifth Annual DOE Clean Coal Technology Conference (Tampa FL), January 1997).

Недостатком такого процесса является то, что генерация синтез-газа осуществляется в независимой установке со своей системой получения кислорода и системой компремирования синтез-газа до высокого давления.

Практически отсутствует взаимное влияние объединенных технологий производства энергии и синтетического жидкого топлива друг на друга, в результате чего существенно снижается экономический эффект.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения электроэнергии на тепловых электростанциях, включающий окислительную газификацию топлива воздухом под давлением и последующую очистку продуктов газификации, при этом топливо подвергают внутрицикловой газификации в реакторе под максимальным давлением в энергетическом цикле с последующим охлаждением продуктов газификации частью рабочего тела энергетической установки и дожиганием очищенного газа в камерах сгорания энергетической установки (Авт.свид. СССР № 263064, МПК С 10 В, Int.Cl. F 23 С, England № 1104075, France № 1427256, Japan № 916736, прототип).

Недостатком этого способа является то, что получаемый синтез-газ используется только для получения энергии в парогазовой установке и решения экологических проблем без попутного получения синтетического жидкого топлива, что могло бы существенно увеличить экономические показатели процесса.

Предлагаемое изобретение позволяет решить более сложную техническую задачу, чем те, которые решаются вышеупомянутыми способами, за счет того, что предлагаемый способ позволяет организовать комплексный и экологически чистый процесс использования природных органических топлив для одновременного производства электроэнергии и получения синтетических жидких топлив, и тем самым значительно повысить его эффективность.

Такая техническая задача решается тем, что в комбинированном способе производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива с использованием газотурбинных и парогазовых установок, включающем частичное окисление углеводородного топлива в потоке сжатого воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки с последующим дожиманием, получение синтез-газа, его предварительную обработку, включающую охлаждение и экологическую очистку, полученный синтез-газ подают в однопроходной реактор синтеза с частичным превращением синтез-газа в жидкое синтетическое топливо, оставшийся в реакторе энергетический газ направляют в камеру сгорания газотурбинной установки, при этом степень конверсии синтез-газа выбирают из условия поддержания температуры рабочего тела на входе в газовую турбину, определяемой типом газотурбинной установки, используемой для производства электроэнергии.

Поставленная техническая задача также решается тем, что в предлагаемом способе последующее дожимание воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки, осуществляют с помощью детандера, приводимого в действие энергетическим газом, подогреваемым за счет охлаждения синтез-газа перед реактором синтеза.

На фиг.1 показана схема, поясняющая сущность предлагаемого изобретения.

На фиг.2 приведены результаты выполненного технико-экономического анализа относительной стоимости электроэнергии, получаемой на паротурбинных электростанциях на угле с очисткой дымовых газов от SО₂ (ПТУ), на электростанциях с парогазовыми установками на газе (ПТУ) и в предлагаемом энергохиммческом комплексе на газе (ЭХК).

Предлагаемый способ с использованием схемы, показанной на фиг.1, осуществляют следующим образом.

В реактор частичного окисления 1 подают весь используемый в комплексе природный газ и сжатый с помощью компрессора 2 газотурбинной установки и компрессора 3 детандера воздух.

В реакторе 1 при температуре порядка 1100°С происходит частичное окисление природного газа с получением синтез-газа, забалластированного азотом воздуха. Полученный синтез-газ охлаждают в газоохладителе 4, при необходимости очищают от образовавшейся сажи и направляют в реактор синтеза жидкого синтетического топлива 5.

Степень конверсии синтез-газа задается таким образом, чтобы теплотворная способность покидающего реактор 5 энергетического газа была достаточной для его эффективного сжигания в камере сгорания 6 газотурбинной установки, обеспечивающего поддержание температуры рабочего тела перед газовой турбиной 7.

Энергетический газ, покидающий реактор синтеза 5, подогревают в газоохладителе до температуры 500-540°С за счет охлаждения горячего синтез-газа и подают в газовую турбину 8 детандера, приводящую дожимной компрессор 3.

Энергетический низкокалорийный газ после расширения в детандере направляют в камеру сгорания 6 газотурбинной установки.

Тепло продуктов сгорания после газовой турбины 7 утилизируется в котле-утилизаторе 9 для генерации пара высокого давления. Для этой же цели частично используется тепло горячего синтез-газа. Полученный пар после барабан-сепаратора 10 перегревают в газоохладителе 4 и направляют в паровую турбину для выработки электрической энергии.

В случае необходимости теплоту конденсации пара Q₁ после паровой турбины 11 используют для производства тепла для отопительных и производственных целей.

Положительный эффект от решения поставленной технической задачи достигается за счет следующих приемов.

- Для получения синтез-газа используется сжатый воздух после компрессора газотурбинной установки. Таким образом, отпадает необходимость в создании собственного хозяйства для получения кислорода и его сжатия до высокого давления.

- Используют однопроходной реактор синтеза синтетического жидкого топлива с низкой степенью конверсии без циркуляции синтез-газа, т.к. покидающий реактор синтеза синтетического жидкого топлива энергетический газ все равно используется в качестве топлива для энергетической установки.

- Эффективно рекуперируется энергия сжатого до высокого давления энергетического газа за счет его расширения в детандере и в газовой турбине.

- В связи с тем, что в камере сгорания газотурбинной установки сжигается низкокалорийный газ, содержащий, в основном, водород и оксид углерода, не образуются токсичные оксиды азота. Поэтому продукты сгорания, выбрасываемые в атмосферу, не содержат вредных примесей и тем самым энергетический комплекс становится экологически чистым.

- В связи с высоким коэффициентом использования топлива (более 85%) снижаются выбросы и диоксида углерода по сравнению с раздельным производством энергии и синтетического жидкого топлива.

1. Комбинированный способ производства электроэнергии и жидкого синтетического топлива с использованием газотурбинных и парогазовых установок, включающий частичное окисление углеводородного топлива в потоке сжатого воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки с последующим дожиманием, получение синтез-газа, его охлаждение и экологическую очистку, отличающийся тем, что полученный синтез-газ подают в однопроходной реактор синтеза с частичным превращением синтез-газа в жидкое синтетическое топливо, оставшийся в реакторе энергетический газ выводят в камеру сгорания газотурбинной установки, при этом степень конверсии синтез-газа выбирают из условия поддержания заданной температуры рабочего тела на входе в газовую турбину, определяемой типом газотурбинной установки, используемой для производства электроэнергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что последующее дожимание воздуха, отбираемого за компрессором высокого давления газотурбинной установки, осуществляют с помощью детандера, приводимого в действие энергетическим газом, подогреваемым за счет охлаждения синтез-газа перед реактором синтеза.