Spôsob výroby elektrickej energie, pary a oxidu uhličitého v koncentrovanej forme z uhľovodíkovej suroviny

Číslo patentu: 286791

Dátum: 29.04.2009

Autori: Nilsen Henning Reier, Soyez Werner, Fjellhaug Henrik, Saigne Michel

Stiahnuť PDF súbor.

Zhrnutie / Anotácia

Spôsob výroby elektrickej energie, pary a oxidu uhličitého v koncentrovanej forme z uhľovodíkovej suroviny, zahrnujúceho tvorbu syntézneho plynu v autotermálnej reaktorovej jednotke (ATR), tepelnú výmenu vytvoreného syntézneho plynu a tým výrobu pary, spracovanie prinajmenšom časti syntézneho plynu v CO-konverznej reaktorovej jednotke a jednotke na separáciu oxidu uhličitého na vytvorenie koncentrovaného oxidu uhličitého a chudobného plynu, obsahujúceho vodík, ktorý sa spaľuje v plynovej turbíne s kombinovaným cyklom na výrobu elektrickej energie, a kde sa vzduch z uvedenej turbínovej jednotky dodáva do ATR jednotky. Spaliny z plynovej turbíny sa tepelne vymenia na výrobu pary, ktorá sa spolu s parou, vytvorenou predtým, využije v parnej turbíne na výrobu elektrickej energie v podstate bez CO2. Para sa môže dodávať do plynovej turbíny na zriedenie plynovej zmesi, obsahujúcej vodík. Spôsob sa tiež môže kombinovať s výrobou produktov zo syntézneho plynu, ako je metanol a/alebo amoniak. Časť plynu z jednotky na odstránenie oxidu uhličitého sa môže využiť v palivovom článku.

Text

Pozerať všetko

Vynález sa týka spôsobu, zahmujúceho výrobu elektrickej energie, pary a oxidu uhličitého V koncentrovanej forme z uhľovodíkovej suroviny. Vynález ďalej zahrnuje voliteľnú výrobu produktov na báze syntézneho plynu, kombinovanú s uvedeným spôsobom.Doteraj ší stav technikyElektrická energia sa vyrába v elektrámi s kombinovaným cyklom, integrovanej s reformovacou jednotkou, kde sa do plynovej turbiny ako palivo dodáva plyn, ktorý obsahuje vodík. (Integrated Reforming Combined Cycle (integrovaný reforrnačný kombinovaný cyklus) (IRCC Hlavným problémom v takomto procese je prevádzkovanie plynovej turbíny pri podmienkach, zabezpečujúcich minimálnu emisiu oxidov dusíka, a súčasne dosiahnutie optimálnej výroby elektrickej energie a pary.Spôsob výroby elektrickej energie, pary a koncentrovaného oxidu uhličitého je publikovaný na Intemete,http/www.hydro.com/konsem/news/eng/ 1998/ 980423 e.html. V tejto publikácii je opisaný spôsob, zahrnujúci reakciu zerrmého plynu s parou, ktorej výsledkom je potom plyn, obsahujúci vodík, ktorý sa spaľuje v plynovej turbíne s kombinovaným cyklom, vyrábajúcej elektrickú energiu.Z japonskej patentovej prihlášky JP 608041 je ďalej známe použitie turbíny, ktorá spaľuje vodík, na výrobu elektrickej energie. Podľa tejto prihlášky zemný plyn a kyslík v mólovom pomere 1 0,5 až l 0,7 reagujú, čiastočne oxidujúc uvedené palivo, za vzniku vodíka a oxidu uhličitého. Vzduch sa privádza do absorpčného separátora kyslíka s kolísavým tlakom (PSA) a kyslík sa potom privedie do autotermálneho reaktora (ATR), kde sa zemný pljm premení na vodík a oxid uhoľnatý. Reformovaný plyn vstupuje do konverzného reaktora, v ktorom sa oxid uhoľnatý premení na oxid uhličitý. Zmes plynov sa potom zavedie do membránového separátora, v ktorom sa vodík oddelí od oxidu uhličitého. Oddelený C 02 sa vymyje a desorbuje neskôr. Vodík, ktorý v podstate neobsahuje zlúčeniny uhlíka, sa použije v plynovej turbíne na výrobu elektrickej energie. Tento spôsob vyžaduje kyslík, čo vyžaduje PSA jednotku so značnou spotrebou energie. Podľa schémy výrobného postupu podľa tejto prihlášky sa musí tlak zemného plynu znížiť na takmer okolitý tlak, aby sa umožnilo pridat kyslík. Po PSA separácií sa kyslík musí stlačiť druhý raz. Všetky tieto stlačenia navyše znižujú účinnosť spôsobu.Hlavným cieľom tohto vynálezu je poskytnúť zlepšený spôsob výroby energie s použitím konverzie uhľovodíkovej suroviny parou, pri ktorom sa podstatné časť vyrobeného CO oddelí ako prúd vysokokoncentrovaného COZ-plynu a kde emisia oxidov dusíka je na úrovniach, ktoré sú prijateľné pre bežné plynové turbíny.Ďalším cieľom tohto vynálezu je využiť prinajmenšom časť vytvoreného syntézneho plynu z uvedeného spôsobu výroby energie na výrobu produktov zo syntézneho plynu, najmä amonialcu, metanolu a/alebo dimetyléteru.S ohľadom na získavanie elektrickej energie tento spôsob bude konkurovať bežným elektrárňarn, založeným na spaľovaní uhľovodíkových surovín, ako je zemný plyn. Ale jednou veľkou nevýhodou jednoduchého spaľovania uhľovodíkov je emisia oxidu uhličitého, keďže produkty spaľovania obsahujú len malé množstvá oxidu uhličitého, ktorý sa v súčasnosti nedá spätne získať ekonomicky. Emisia oxidov dusíka (NOX), ktorá sa meni v závislosti od prevádzkových podmienok, môže tiež predstavovať emisný problém.Veľkým problémom pri znižovaní emisie oxidu uhličitého a NOX je dosiahnuť žiaduce zníženie emisie bez neprijateľného zníženia účinnosti spôsobu s ohľadom na výrobu energie. Prvým krokom v 0 vyhodnotení základného spôsobu z hľadiska uvedených požiadaviek bol krok výroby syntézneho plynu. Po zvážení rôznych spôsobov sa zistilo, že ATR by poskytol niekoľko výhod a rozhodlo sa pátrať ďalej po najlepšom spôsobe prevádzky ATR. Na rozdiel od toho, čo tvrdí uvedená japonská patentová prihláška, sa zistilo, že ATR by mal byť reaktor, prevádzkovaný so vzduchom, t. j. nie reaktor, prevádzkovaný s kyslíkom. Zdalo sa, že použitie ATR ponúka niekoľko výhod z hľadiska stupňov voľnosti. Tak by sa prevádzkový tlak mohol zvoliť z hľadiska celkovej hospodárnosti koncepcie. Metánový zvyšok by sa mohol meniť z hľadiska prevádzky následných jednotiek a nakoniec syntézny plyn vyrobený v ATR by mal byť relatívne chudobný plyn, ktorý je vhodný pre plynom poháňanú turbínu a je porovnateľný s palivovými zmesami, ktoré sa používajú v osvedčených elektrárňach s kombinovaným cyklom (IRCC) v priemyselnom meradle.Výhodnou uhľovodíkovou surovinou pre takýto spôsob bude zemný plyn, nafta, rôzne ropné destiláty atď. Zavedením predúpravne pred ATR bude flexibilita s ohľadom na surovinu značne vysoká. Výhodnou surovinou bude zemný plyn.Zistilo sa, že NOX problém silne závisí od prevádzkových podmienok plynovej turbíny. Tvorba NOX koreluje s teplotou plameňa v tejto turbíne. V súlade s tým by sa mali vykonať opatrenia na reguláciu uvedenej teploty plameňa. Rozsah plynovej zmesi, ktorá sa má spaľovať v uvedenej turbíne, by sa mohol zvoliť prostredníctvom spôsobu, v ktorom by sa teplota plameňa udržiavala na požadovanej úrovni a pritom sa udržia l 0vala prijateľná tvorba energie. Teplota plameňa V turbíne je do značnej miery určená. zložením palivového plynu. Zistilo sa, že ATR, prevádzkovaný so vzduchom, by mohol poskytovať chudobný vodík na báze palivovej zmesi plynu, kompatibilný s plynmi, používanými v IGCC elektrárňach. Zistilo sa, že je výhodné odťahovať vzduch z procesu pre ATR na výstupe vzduchového kompresora plymovej turbiny a stláčať ho na požadovaný tlak ATR-vtláčania. Ďalej, prúd vzduchu by sa mohol nastaviť, aby vyhovoval príslušnej úrovni metànového zvyšku a zloženiu zmesi palivovćho plynu, kompatibilnému s prijateľnou úrovňou tvorby NOX v spaľovacom systéme plynovej turbiny. Dusík, extrahovaný so vzduchom z plynovej turbiny, sa vracia do turbínovej časti ako zložka zmesi palivového plynu, teda v značnej miere udržuje veľkosť toku hmoty turbinou. V prípade potreby sa môže použiť mierne vstrekovanie pary, aby sa znížila tvorba NOX v turbíne. Optimálna konštrukcia horáka môže tiež znížiť emisiu NOX.Jednou alternatívou v rámci koncepcie tohto vynálezu je spojiť ATR s refonnovacím výmenníkom. Zistilo sa, že tento variant by mohol zvýšiť spätné získanie C 02 v koncentrovanej forme.Na účely získania maximálnej flexibility by sa základný spôsob tvorby energie mohol kombinovať s tvorbou rôznych produktov na báze existujúcich prúdov procesu. Tak by metanolová jednotka mohla využiť časť syntézncho plynu z ATR a výrobňa amoniaku by mohla využiť časť vodíkového/dusíkového plynu, oddeleného z oxidu uhličitého následne po konverznej reakcii syntézncho plynu. Jedinými jednotkami navyše, p 0 trebnými pre výrobňu amoniaku, by boli bežná membránová separačná jednotka a metanízačná jednotka pred reaktorom na syntézu amoniaku.Podstatou vynálezu je spôsob výroby elektrickej energie, pary a oxidu uhličitého v koncentrovanej forme z uhľovodíkovej suroviny, ktorý zahrnuje tvorbu syntézncho plynu v ATR jednotke, prevádzkovanej so vzduchom, výmenu tepla vytvoreného syntézncho plynu, a tým výrobu pary, pričom aspoň časť ochladeného syntézncho plynu sa potom spracúva v CO-konverznom reaktore, ktorým môže byť jedna jediná jednotka alebo dva CO-konverzné reaktory, jeden nízkoteplotný a jeden vysokoteplotný reaktor. Uvedený prúd plynu sa ďalej spracúva v jednotke s oxidom uhličitým na tvorbu koncentrovanćho prúdu oxidu uhličitého a jedného prúdu, ktorým je plyn s chudobným obsahom vodíka, ktorý sa aspoň čiastočne spaľuje v plynovej turbíne s kombinovanýrn cyklom na tvorbu elektrickej energie. Vzduch z uvedenej turbiny sa dodáva do ATR jednotky. Odpadové plyny z plynovej turbiny sa podrobia výmene tepla na výrobu pary, ktorá sa spolu s parou,vytvorenou predtým, využije v pamej turbíne na výrobu elektrickej energie.ATR jednotka sa môže kombinovať s reformovacím výmenníkom a surovina sa môže rozdeliť medzi tieto dve jednotky, výhodne sa 50 až 80 suroviny privádza do ATR.Pred ATR jednotkou môže byť usporiadaná predúpravňa.Menšia časť pary, vytvorenej v procese, sa môže privádzať do plynovej turbiny na zriedenie plynu, obsahujúceho vodík, a tak na zníženie teploty plameňa v plynovej turbine.Prinajmenšom časť odpadu z plynovej turbiny sa môže recyklovať do ATR ako zdroj kyslíka alebo kombinovať s prívodom vzduchu do plynovej turbiny.Časť syntézncho plynu sa môže využiť na výrobu metanolu a táto výroba sa môže uskutočniť rozličnými spôsobmi, ako je opísanć v spojitosti s obr. 1.Časť plynu z oddeľovacej jednotky oxidu uhličitého sa môže využiť na výrobu amoniaku. V tomto prípade sa jeden prúd vedie do membránovej oddeľovacej jednotky na oddelenie vodíka, ktorý sa zmieša s ďalším prúdom plynu, obsahujúceho vodík, v dôsledku čoho zmiešaný prúd bude mať pomer dusík vodík l 3. Dusík z membránovej jednotky sa vráti do hlavného prúdu plynu, obsahujúceho vodík, potom sa vedie do plynovej turbiny.Tento vynález ďalej vysvetlíme a objasníme v spojitosti s príkladrni a opisom priložených obrázkov.Prehľad obrázkov na výkresoch Obr. 1 znázorňuje zjednodušenú schému základnej koncepcie výroby energie.Obr. 2 znázorňuje zjednodušenú schému zakladnej koncepcie, kombinovanej s výrobňou metanolu a/alebo výrobňou amoniaku.Obr. 1 znázorňuje príklad uskutočnenia tohto vynálezu. Plyrmá uhľovodíková surovina, napríklad zemný plyn, sa dodá ako prúd 1, zahreje a stlačí predtým, než sa vedie cez potrubie 2 do saturátora 3, kde sa zmieša s prevádzkovou vodou 4 a demineralizovanou doplnkovou vodou, privádzanou cez rúru 4 b. Privedený uhľovodík, ktorý je aspoň čiastočne nasýtený vodou, sa potom privádza do ATR jednotky 6 ako prúd 5. stlačený vzduch sa vedie cez potrubie 7 do ATR jednotky 6. Voliteľne môže byť pred ATR usporiadané predreforrnovacia jednotka. To poskytne zvýšenú flexibilitu s ohľadom na uhľovodíkovú surovinu. Potom môže byt zvýšený obsah ťažších uhľovodíkov prijateľný. Prinajmenšom časť privádzaného vzduchu 29 sa môže privádzať zo vzduchového kompresora plynovej turbíny a stlačiť na nevyhnutný vtláčací tlak. Jednotka 6 tiež môže byť kombinovanou jednotkou, zahmujúcou ATR a reformovací výmenník. Množstvo uhľovodikovej suroviny,ktoré sa bude privádzať do príslušných jednotiek, sa môže meniť v širokých medziach. Praktické rozdelenie bude 50 až 80 suroviny do ATR a zvyšujúca časť do reformovacieho výmenníka. Syntćzny plyn 8 z ATR jednotky 6 sa ochladí v bojleri (parnom generátore) 9 pred privedením do konvertovacej jednotky 12 ako prúd 11. Táto jednotka môže zahrnovať dva bežné CO-konverzne reaktory, reaktor s nízkou teplotou (LT) a reaktor s vysokou teplotou (HT), alebo len jeden jediný CO-konverzný reaktor. Vzniknutá plynová zmes 13 sa ochladí, kondenzovaná voda sa odstráni v jednotke 14 a Vzniknutá plynová zmes sa potom privedie ako prúd 15 do COg-absorbćra 16, z ktorého sa C 02 a absorbent privedie cez potrubie 18 do desorbéra 19. Doplnený absorbent sa môže priviesť do jednotky 19 ako prúd 20 b. Regenerovaný absorbent, napríklad amínový roztok, sa recykluje do absorbéra 16 cez potrubie 20. Voda z COŽ-prúdu 21 sa odstráni v jednotke 22. Prevádzková voda z jednotiek 22 a 14 sa recykluje do saturátora 3. Prúd vysoko koncentrovaného CO sa potom môže stlačiť a dodať cez rúru 23 na ďalšie použitie, napríklad ako vytláčaci plyn v ropnom alebo plynovom ložisku. Prúd 17 plynu z COz-absorbéra 16 pozostáva hlavne z vodíka a dusíka, s malými množstvami CO,C 02, CH 4. Tento prúd 17 sa potom použije ako palivo pre plymovú turbínu 24 s kombinovaným cyklom, do ktorej sa privádza vzduch 25. Voliteľne sa môže do turbíny 24 privádzať para 10 na zníženie NOX. Prinajmenšom časť prúdu 17 sa môže využiť v palivovom článku na tvorbu jednosmerného elektrického prúdu. Ak sa táto elektrická energia použije na elektrolýzu, nebude na túto voliteľnú výrobu elektrickej energie potrebný usmerňovač. Spaliny 26 z turbíny 24 sa privedú k výmene tepla s vodou v pamom generátore 27 a para z neho sa môže prehriať v tepelnom výmenníku 30 pred privedenim prúdu 31 do silnoprúdového generátora 32, do ktorého sa tiež môže dodávať para 10. Spaliny 28 sa môžu recyklovať do refonnovacej jednotky 6 alebo spojit s prívodom 25 vzduchu do plynovej turbíny 24.Na obr. 2 sú výrobňa amoniaku a výrobňa metanolu integrované do základného spôsobu podľa obr. l. Spojený spôsob môže zahrnovať obe z uvedených výrobní alebo jednu z nich. Syntézny plyn 34 sa môže odoberať z prúdu 11 a privádzať do syntézy 35 metanolu. Nekonvertovaný syntézny plyn 37 sa môže recyklovať do prúdu 11 syntézneho plynu a metanolový produkt sa odvedie cez potrubie 36. Syntézny plyn 34 sa altematívne môže spracovať v membránovej jednotke na separáciu plynov, aby sa odstránil vodík a oxid uhličitý ako zdroje pre syntézu metanolu. Tieto zdroje sa môžu privádzať s pridanýrn oxidom uhličitým z prúdu 23. Ďalšia frakcia z uvedenej membránovej jednotky sa potom bude recyklovať do prúdu 11.Zdroje pre syntézu amoniaku sa môžu privádzať z rúry 17. Jeden bočný prúd 38 sa najprv privedie do membránovej jednotky 40 na separáciu plymov na dodávanie vodika 42 do rúry 39, aby sa nastavil pomer H 2 N na 3 1 predtým, než sa táto zmes plynu spracuje v metanizačnej jednotke 43, pred zavedením do syntézy 44 amoniaku, produkujúcej amoniak 45. Dusík z membránovej jednotky 40 sa recykluje cez rúru 41 do prívodu 17 na vodíkovú turbínu 24.Tento príklad ukazuje účinok tohto vynálezu s ohľadom na výrobu elektrickej energie, účinnosť a spätné získanie oxidu uhličitého ako koncentrovaného prúdu v spôsobe podľa obr. l. Príklad ďalej ukazuje účinnosť, spätné získanie koncentrovaného oxidu uhličitého a celkovú výrobu energie tohto spôsobu v porovnaní s rovnakými parametrami pre spôsob s použitím primárnej-sekundámej refonnovacej jednotky na výrobu syntézneho plynu. Tento ilustračný príklad ukazuje účinky recyklovanía odpadu do ATR a tiež ukazuje účinky kombinovania ATR s reforrnovacim výmenníkom. V nasledujúcej tabuľke je uvedenou kombináciou ATR-RE. Spôsob podľa tohto vynálezu sa porovnáva s využitím kombinácie sekundárnej-primámej reformovacej jednotky na výrobu syntézneho plynu, v tabuľke SR/PR. Mólový pomer para uhlík v prívode do reformovacej jednotky je v tabuľke označený ako Para C.Z uvedených výsledkov vidno, že spôsobom podľa tohto vynálezu sa môže spätne získať až 95,8 vytvoreného C 02. Výsledky ďalej ukazujú, že V rámci spôsobu podľa tohto vynálezu sa účinnosť, výroba energie a C 02 menia v závislosti od prevádzkových podmienok, a že tento spôsob má veľkú flexibílitu. Tvorba NOX bude vo všeobecnosti funkciou vodíka v plyne, privádzanom do plynovej turbíny.Tento vynález poskytuje spôsob výroby čistého oxidu uhličitého, vhodného ako hnaci plyn na vtláčanie do ropných rezervoárov. IRCC elektráreň bude teda pracovať s minimálnou emisiou oxidu uhličitého. Ďalej tento spôsob poskytuje chudobnú palivovú zmes plynu na báze vodíka, vhodnú na spaľovanie pri bežnej technológii plynových turbin. Mierne zriedenie plynovej zmesi, prívádzanej do plynovej turbiny, parou sa môže použiť ako jedine opatrenie na zníženie NOX.1. Spôsob výroby elektrickej energie, pary a oxidu uhličitého v koncentrovanej forme z uhľovodíkovej suroviny (1), zahmujúci výrobu syntézneho plynu V autotermálnej reaktorovej jednotke - ATR (6), prevádzkovanej so vzduchom, tepelnú výmenu vytvoreného syntézneho plynu (8) a pritom výrobu pary, v y z n a č uj ú c i s a tý m , že prinajmenšom časť syntézneho plynu sa spracuje V CO-konverznej jednotke(12) a v jednotkách (16, 19) na separáciu oxidu uhličitého na vytvorenie koncentrovaného oxidu uhličitého(21) a chudobného plynu (17), obsahujúceho vodík, ktorý sa prinajmenšom čiastočne spaľuje v plynovej turbine (24) s kombinovaným cyklom na výrobu elektrickej energie, a kde sa vzduch z uvedenej turbinovej jednotky (24) privádza do ATR jednotky (6), že spaliny (26) z plynovej turbiny (24) sa tepelne vyrnenia, aby sa vytvorila para, ktorá spolu s parou, vytvorenou predtým, sa využije v pamej turbíne (27) na výrobu elektrickej energie V podstate bez C 02.2. Spôsob podľa nároku l, v y z n a č uj ú c i s a tý m , že sa použije reformovacia jednotka, zahrnujúca ATR (6) kombinovaný s reformovacím výmenníkom.3. Spôsob podľa nároku l, v y z n a č uj ú c i s a tý m , že do ATR (6) sa privedie 50 až 80 uhľovodikovej suroviny (l) a zvyšná surovina do reformovacieho výmennika., ATR ATR ATR ATR základ Aĺüäa- Recyklácia Recyklácia lšecyklácia spalín ATR Dve C 0- Jedna CO v spalín spalín Ziadne chladenie RE-konverzie künverzía Ziadne chlade- Chladenie Zmenšená prevádzk. konverzie nie 30 °C para Zemný plyn LVH (MW) 823,2 823,2 823,2 823,2 823,2 823,2 882,71 Para C 2,0 1 2,0 1 2,6 1 2,6 1 2,0 1 3,221 2,8 1 Zloženie ply-l nu Turbinové palivo CH 4 0,0175 0,0173 0,0095 0,017 0,0109 0,0023 0,0328 CO 0,0052 0,01 18 0,0024 0,0028 0,0039 0,0034 0,0038 C 02 0,0006 0,0006 0,0005 H 2 0,561 0,5476 0,42 l 6 N 2 0,4 l 06 0,4055 0,5592 Ar 0,0049 0,0048 0,0067 Príetok plynu kmol/h 17,176 17,390 23,648 23,148 22,971 17,641 15,520 Výkon, MW plyn. turb. 287,42 287,87 298,82 295,25 298,39 302,03 289,77 Výkon, MW para 139,54 137,9 143,64 135,28 154,38 113,10 149,11 Výkon, MW Exp. comp. 4,34 4,34 4,34 4,34 4,34 4,34 4,46 Výkon, MW Stlač. vzduchu 33,82 33,82 80,66 61,12 80,64 30,61 12,55 Celkový výkon, MW 397,48 396,29 366,14 373,75 376,47 388,86 430,79 Učinnosť 48,3 48,1 44,5 45,4 45,7 46,9 48,8 Spätné získanie COZ 88,8 85,7 91,7 87,3 90,3 95,8 84,5

MPK / Značky

MPK: C01B 3/00, F02C 6/18, F01K 23/10

Značky: energie, formě, výroby, suroviny, uhličitého, spôsob, koncentrovanej, uhľovodíkovej, elektrickej, oxidů

Odkaz

<a href="http://skpatents.com/8-286791-sposob-vyroby-elektrickej-energie-pary-a-oxidu-uhliciteho-v-koncentrovanej-forme-z-uhlovodikovej-suroviny.html" rel="bookmark" title="Databáza patentov Slovenska">Spôsob výroby elektrickej energie, pary a oxidu uhličitého v koncentrovanej forme z uhľovodíkovej suroviny</a>

Podobne patenty