Топливоиспользующая энергетическая система на газообразном углерод- и водородсодержащем топливе с выведением из цикла диоксида углерода

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована при создании энергетических установок с исключением выброса в атмосферу диоксида углерода. Достигаемым результатом полезной модели является повышение степени выделения водорода из топливного газа (ТГ) и исключение необходимости выброса в атмосферу выхлопных газов при сжигании обедненной водородом части ТГ. Для этого реакторная установка для конверсии ТГ и его разделения с отводом водорода выполнена в виде парового конвертора и двух водородных мембранных реакторов, один из которых установлен до, а другой - после конвертора. Камера сгорания энергетической установки, работающей на обедненной водородом части ТГ, подключена к источнику подачи кислорода. Указанная энергетическая установка снабжена последовательно установленными за камерой сгорания газовой турбиной, котлом-утилизатором и компрессором, соединенным с линией подачи на захоронение выхлопных газов. 1 н.п. ф-лы, 1 ил.

Полезная модель относится к теплоэнергетике и может быть использована при создании энергетических установок с исключением выброса в атмосферу диоксида углерода.

В последние годы для повышения КПД тепловых электростанций широкое распространение начали получать парогазовые установки (ПГУ). Вместе с тем, их использование в энергетике требует соблюдения по меньшей мере двух важных условий. Первое из них связано с применением в ПГУ газовых турбин, для защиты лопаток которых от агрессивного воздействия продуктов сгорания, используемых в качестве рабочего тела, требуется работа на беззольном, преимущественно, газообразном топливе. Второе условие, предъявляемое ко всем современным топливосжигающим установкам, требует минимизации загрязнения атмосферы вредными выбросами, в том числе диоксида углерода. Первое из указанных условий может быть достигнуто внутрицикловой газификацией исходного твердого или жидкого топлива с получением топливного газа в виде синтез-газа или генераторного газа. Второе условие обычно обеспечивается предварительной очисткой топливного газа, поддержанием определенного режима его сжигания в топочном устройстве и очисткой выхлопных газов перед их выбросом в атмосферу. Для более эффективного сжигания топливного газа его в ряде случаев подвергают термической конверсии с выделением и отводом образующегося водорода. При этом появляется возможность создания так называемых «гибридных» установок, сочетающих различные формы преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности, с использованием топливных элементов, что позволяет повысить КПД такой установки.

Известна топливоиспользующая энергетическая система на газообразном углерод- и водородсодержащем обессеренном топливе, включающая реакторную

установку для конверсии указанного топлива и его разделения с отводом водорода, а также две установки для раздельного преобразования химической энергии водорода в электрическую энергию или в тепловую с последующим ее преобразованием в электрическую энергию и с преобразованием химической энергии обедненной водородом части топливного газа (ТГ) в тепловую энергию с последующим ее преобразованием в электрическую энергию, причем по меньшей мере установка, работающая на обедненной водородом части ТГ, снабжена камерой сгорания указанной части ТГ, оборудованной линией подвода окислителя [1] - прототип. К недостаткам прототипа следует отнести нерешенность проблемы максимально полного выделения водорода из ТГ, а также проблемы очистки обедненной водородом части ТГ от диоксида углерода перед выбросом в атмосферу.

Достигаемым результатом полезной модели является повышение степени выделения водорода из ТГ и исключение необходимости выброса в атмосферу выхлопных газов при сжигании обедненной водородом части ТГ.

Указанный результат обеспечивается тем, что в топливоиспользующей энергетической системе на газообразном углерод- и водородсодержащем обессеренном топливе, включающей реакторную установку для конверсии указанного топлива и его разделения с отводом водорода, а также две установки для раздельного преобразования химической энергии водорода в электрическую энергию или в тепловую с последующим ее преобразованием в электрическую энергию и с преобразованием химической энергии обедненной водородом части ТГ в тепловую энергию с последующим ее преобразованием в электрическую энергию, причем по меньшей мере установка, работающая на обедненной водородом части ТГ, снабжена камерой сгорания указанной части ТГ, оборудованной линией подвода окислителя, согласно полезной модели реакторная установка выполнена в виде парового конвертора и двух водородных мембранных реакторов, один из которых установлен до, а другой - после конвертора, а линия подвода окислителя камеры сгорания установки, работающей на обедненной водородом части ТГ, подключена к источнику подачи кислорода,

причем указанная установка снабжена последовательно установленными за камерой сгорания газовой турбиной, котлом-утилизатором и компрессором, соединенным с линией подачи на захоронение выхлопных газов.

При этом повышение степени выделения водорода из ТГ обеспечивается за счет установки двух водородных мембранных реакторов, расположенных до и после парового конвертера, а также за счет того, что водяной пар в паровом конвертере, вступая в реакцию с монооксидом углеродом повышает содержание водорода в ТГ. Исключение же необходимости выброса в атмосферу выхлопных газов при сжигании обедненной водородом части ТГ достигается сжиганием этой части ТГ в кислороде, в результате чего соответствующие выхлопные газы представляют собой практически только диоксид углерода, который не выбрасывается в атмосферу, а направляется на захоронение.

На чертеже изображена технологическая схема топливоиспользующей энергетической системы согласно полезной модели.

Система включает реакторную установку 1, выполненную в виде двухступенчатого парового конвертора с конвертером 2 первой ступени и конвертером 3 второй ступени и двух водородных мембранных реакторов соответственно 4, 5, причем реактор 4 установлен до конвертера 2 первой ступени и соединен с ним линией 6, а реактор 5 - после конвертера 3 второй ступени и соединен с ним линией 7 отвода обедненного водородом ТГ. Конвертер 2 соединен с конвертером 3 линией 8. Оба конвертера 2 и 3 соединены с источником пара (на чертеже не показан) линиями 9, 10, 11. Для охлаждения ТГ перед подачей его в конвертеры 2 и 3 на соответствующих линиях 6 и 8 установлены водяные теплообменники 12 и 13. Система также включает две энергетические установки для раздельного преобразования химической энергии водорода и обедненной водородом части ТГ в электрическую энергию, причем каждая из них представляет собой парогазовую установку (ПГУ) с общей для обеих установок паровой турбиной. Первая из указанных установок содержит камеру сгорания 14 водорода с линиями 15, 16, 17 его подвода от мембранных реакторов 4, 5 и линией 18 подвода воздуха от компрессора 19, а также газовую турбину

рания 14 водорода с линиями 15, 16, 17 его подвода от мембранных реакторов 4, 5 и линией 18 подвода воздуха от компрессора 19, а также газовую турбину 20, соединенную с камерой сгорания 14 линией 21, и присоединенный к газовой турбине 20 электрогенератор 22. Для охлаждения водорода на линии 17 его подвода к камере сгорания 14 данной энергетической установки установлен водяной теплообменник 23, а для охлаждения конвертера 2 первой ступени он снабжен водяной рубашкой 24, причем все три теплообменника 13, 12, 23 и водяная рубашка 24 по воде включены последовательно с помощью линий 25-29. На входной водяной линии 25 установлен насос 30, а выходная линия 29 является паровой и подключена к паровой линии 9. Вторая энергетическая установка содержит камеру сгорания 31 обедненного водородом ТГ с линией 32 его подвода и с линией 33 подвода кислорода от компрессора 34, а также газовую турбину 35, соединенную с камерой сгорания 31 линией 36, и присоединенный к газовой турбине 35 электрогенератор 37. Обе газовые турбины 20 и 35 снабжены каждая соответственно линиями 38, 39 отвода выхлопных газов, каждая из которых соединена со своим котлом-утилизатором соответственно 40, 41, паровые тракты 42, 43 которых подключены к общей для обеих энергетических установок паровой турбине 44 со своим электрогенератором 45. Выходные части газовых трактов обоих котлов-утилизаторов 40, 41 соединены с выхлопными линиями соответственно 46, 47. При этом выхлопная линия 46 соединена с дымовой трубой (на чертеже не показана) непосредственно или, при необходимости, через установку для очистки от оксидов азота (на чертеже не показана), а на выхлопной линии 47 последовательно по ходу газов установлены водяной теплообменник 48 и компрессор 49 для подачи охлажденного диоксида углерода на захоронение.

Топливоиспользующая энергетическая система согласно полезной модели работает следующим образом.

Газообразное углерод- и водородсодержащее обессеренное топливо, в частности генераторный газ, полученный при газификации твердого топлива, поступает в мембранный реактор 4 реакторной установки 1, в которой разделяется

на водород и обедненный водородом ТГ. Водород из реактора 4 по линии 15 подается на охлаждение в водяной теплообменник 23, откуда по линии 17 поступает в камеру сгорания 14 первой ПГУ. В эту же камеру сгорания 14 компрессором 19 по линии 18 подается сжатый воздух. В ПГУ продукты сгорания водорода в качестве рабочего тела приводят во вращение газовую турбину 20 и электрогенератор 22, после чего выхлопные газы, представляющие собой азото-кислородную смесь, по линии 38 направляются в котел-утилизатор 40, из которого по выхлопной линии 46 выбрасываются в дымовую трубу непосредственно или, при необходимости, после очистки от оксидов азота. Вырабатываемый котлом-утилизатором 40 пар по линии 42 подается в качестве рабочего тела в паровую турбину 44, связанную с электрогенератором 45.

Обедненный водородом ТГ из мембранного реактора 4 по линии 6 подается на охлаждение в водяной теплообменник 12, после чего поступает в конвертер 2 первой ступени. Сюда же по линиям 9, 10 и 6 подается пар. В результате паровой конверсии в ТГ увеличивается содержание водорода. При этом выделяющееся в результате реакции конверсии тепло частично отводится при помощи водяной рубашки 24. Для более полного выделения горючих компонентов продукты конверсии из конвертера 2 первой ступени после охлаждения в водяном теплообменнике 13 по линии 8 поступают в конвертер 3 второй ступени. Сюда же по линиям 9, 11 и 8 подается пар. Продукты конверсии из конвертера 3 второй ступени по линии 7 подаются в мембранный реактор 5, из которого водород по линии 16 направляется в водородную линию 15, а обедненный водородом ТГ - по линии 32 в камеру сгорания 31 второй ПГУ. Дополнительно в камеру сгорания 31 компрессором 34 по линии 33 подается кислород. В ПГУ продукты сгорания из камеры сгорания 31 в качестве рабочего тела приводят во вращение газовую турбину 35 и электрогенератор 37, после чего выхлопные газы, представляющие собой диоксид углерода, по линии 39 направляются в котел-утилизатор 41, из которого после охлаждения в водяном теплообменнике 48 с помощью компрессора 49 удаляются на захоронение. Вырабатываемый котлом-утилизатором 41 пар по линии 43 подается в качестве

рабочего тела в ту же, что и для первой ПГУ, паровую турбину 44, связанную с электрогенератором 45. Подаваемая насосом 30 охлаждающая вода проходит последовательно через водяные теплообменники 13, 12, 23 и водяную рубашку 24, откуда в виде пара по линии 29 направляется в паровую линию 9.

Топливоиспользующая энергетическая система согласно полезной модели, помимо отмеченных выше преимуществ позволяет обеспечить работу ПГУ на твердом топливе с максимально полным выделением из него газообразных горючих компонентов и выделением из продуктов сгорания диоксида углерода без применения химических реагентов.

Источники информации:

1. Патент США 6209494, НКИ 123/3, 2001.

Топливоиспользующая энергетическая система на газообразном углерод- и водородсодержащем обессеренном топливе, включающая реакторную установку для конверсии указанного топлива и его разделения с отводом водорода, а также две установки для раздельного преобразования химической энергии водорода в электрическую энергию или в тепловую с последующим ее преобразованием в электрическую энергию и с преобразованием химической энергии обедненной водородом части топливного газа в тепловую энергию с последующим ее преобразованием в электрическую энергию, причем по меньшей мере установка, работающая на обедненной водородом части топливного газа, снабжена камерой сгорания указанной части топливного газа, оборудованной линией подвода окислителя, отличающаяся тем, что реакторная установка выполнена в виде парового конвертора и двух водородных мембранных реакторов, один из которых установлен до, а другой после конвертора, а линия подвода окислителя камеры сгорания установки, работающей на обедненной водородом части топливного газа, подключена к источнику подачи кислорода, причем указанная установка снабжена последовательно установленными за камерой сгорания газовой турбиной, котлом-утилизатором и компрессором, соединенным с линией подачи на захоронение выхлопных газов.