Спосіб комбінованого виробництва електричної енергії із зниженими викидами вуглекислого газу

Спосіб комбінованого виробництва електричної енергії із зниженими викидами вуглекислого газу, який включає підготовку паливної суміші у вигляді 2-х незаймистих складових, роздільну передачу їм тепла від продуктів згоряння, спалювання складових паливної суміші в камері згоряння магнітогідродинамічного генератора з коефіцієнтом витрати окислювача a»1, проведення термохімічної переробки палива за рахунок тепла продуктів згоряння і добування із них присадки, що вводиться в камеру згоряння магнітогідродинамічного генератора і там іонізується, забезпечуючи перетворення енергії в магнітогідродинамічному генераторі, який відрізняється тим, що незаймисті складові паливної суміші - окислювальну і відновну - одержують змішуванням метану з киснем, забаластованим діоксидом вуглецю, який береть A (54) СПОСІБ КОМБІНОВАНОГО ВИРОБНИЦ ТВА ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ІЗ ЗНИЖЕНИМИ ВИКИДАМИ ВУГЛЕКИСЛОГО ГАЗУ 39287 Прототипом способу, є спосіб по патенту [3], в якому вихлопні гази одержуються у вигляді газоподібного промпродукту, придатного для подальшого використання в хімічній і енергетичній промисловості. Недоліком способу [3] є невідповідність складу перетворених вихлопних газів умовам, які пред'являються паливними елементами. Завданням цього винаходу є розробка способу перетворення продуктів згорання, які використані в МГДГ, до складу, придатного для прямого використання в високотемпературних паливних елементах з розплавленим карбонатним електролітом (ПЕРКЕ), в якому одним із робочих газів служить СО2, і остаточній утилізації диоксиду вуглецю у вигляді рідкої або твердої захолодженої маси. Поставлене завдання в способі виробництва електроенергії, вирішується шляхом підготовки паливної суміші у вигляді 2-х незаймистих складових, роздільну передачу їм тепла від продуктів згорання, спалювання складових паливної суміші в КЗ МГДГ з коефіцієнтом витрати окислювача a » 1, проведення термохімічної переробки палива за рахунок тепла продуктів згорання і видобування із них присадки, що вводиться в КЗ МГДГ і там іонізується, забезпечуючи перетворення енергії в МГДГ: незаймисті складові паливної суміші - окислювальну і відновну - одержують змішуванням метану з киснем, забаластованим диоксидом вуглецю, який береться з виходу циклу виробництва електричної енергії; продукти згорання після високотемпературних теплообмінників розділяють на два потоки в співвідношенні 1/3; перший потік для ініціації конверсії вихідного палива змішують з паливом в циклонному реакторі в співвідношенні 1/5, і цим знижують температур у суміші нижче 1170К, і направляють її для догріву в регенератор-сепаратор; регенератор-сепаратор підігрівають другим потоком продуктів згорання до одержання відновного синтез-газу, що складається з Н 2 і СО і закінчують реакцію паровуглекислотної конверсії метану при температурі більше 1170К; присадку, що іонізується, вловлюють в сухому вигляді в циклонному реакторі, а в розплавленому - в регенераторі-сепараторі; одержаний відновний газ подають на високотемпературний електрохімічний генератор-батарею паливних елементів з розплавленим карбонатним електролітом (ПЕРКЕ) разом з окислювачем; недоокислений відновний газ після ПЕ спалюють без доступу азоту в тепловій машині турбогенератора (котлі або камері згорання газової турбіни) і після проходження рекуперативних теплообмінників обезводнюють і захолоджують до твердого чи рідкого стану з використанням енергії кисню і азоту, одержаних при поділі повітря. Відомо, що підвищення вмісту вуглекислого газу у повітрі - одна із найважливіших причин, які впливають на глобальне потепління клімату Землі. Шляхи зменшення викиду СО2 пов'язані, по-перше, з підвищенням коефіцієнту корисної дії (ККД) циклу перетворення теплової енергії і використання палива з меншим вмістом вуглецю і, по-друге, з вловлюванням і похованням СО2. Найбільш просто реалізувати таку схему, коли в продуктах згорання немає азоту і присутні лише СО2 і Н2О, для чого згорання повинно проходити в чистому кисні, який одержується при поділі повітря на N2 і О2. Оскільки поділ повітря проходить при температурі » 70К, то енергія рідких N2 і О2 може при цьому використовуватись для захолодження СО2. Згорання органічного палива в кисні проходить при температурі > 3000К, що зумовлює ефективність використання як першого (високотемпературного) ступеня перетворення теплоти продуктів згорання МГД-генератора відкритого циклу з лужною добавкою, яка іонізується і подається в вигляді карбонатних сполук, наприклад, поташу К2СО3 [1, 2, 3]. В цих схемах при використанні як палива природного газу продукти згорання не містять великих концентрацій NOX, поява їх можлива лише за рахунок слідів азоту в паливі. При використанні рідкого і твердого палива можлива генерація значних концентрацій NOX при окисленні паливного азоту, але для МГД електростанції це не має особливого значення, оскільки NOX як і SО2 уловлюються в системі регенерації присадки. Застосування чистого кисню в МГДГ дозволяє одержати температуру продуктів згорання (робочої речовини МГД-генератора) достатню, щоб забезпечити прийнятну електропровідність і не використовувати високотемпературне нагрівання складових паливної суміші. Проте це дуже дорого, так як потребує великих витрат О2 і по оцінках, проведених для різних МГДЕС, виправдовується тільки для пікових і напівпікових станцій. Для базових електростанцій потрібні регенерація тепла продуктів згорання і використання теплообмінників. При цьому, як окислювача виправдане використання суміші кисню і вуглекислого газу, який береться з виходу установки, і в суміші з паливом підігрівається до температури 1700К. Така температура досяжна на сучасних промислових регенеративних теплообмінниках. В описаних установках [1, 2, 3] залишкове тепло продуктів згорання використовується в паросиловому або газотурбінному циклі, тим самим вдається більш повно виробити тепловий потенціал палива. Але цей тепловий потенціал можливо використати з більшим ККД, якщо після МГДгенератора поставити електрохімічний генератор електричної енергії - паливний елемент [4]. Таке рішення особливо привабливе тим, що високотемпературні паливні елементи на розплавлених карбонатних електролітах (ПЕРКЕ), потребують постійного поновлення рідкого електроліту, для чого можуть використовуватись залишки поташу, які присутні в вихлопі МГД-генератора після проходження грубої очистки. На фіг. зображена принципіальна схема установки, що реалізує спосіб, який заявляється. Схема містить камеру згорання - 1, МГДгенератор - 2 з проникними електродними стінками - 3. Вихід МГД каналу з'єднаний з високотемпературними регенераторами з керамічними насадками - 4, 5. Частково охолоджені продукти згорання з парою поташа і температурою 1500К попадають в циклонний реактор - 6, де змішуються з вихідним паливом. В (6) суміш охолоджується нижче точки плавлення поташу 1170К і із неї добувається сухий поташ, в подальшому суміш подається на регенератор-сепаратор - 7, де їй передається тепло для 2 39287 завершення конверсії палива, і вловлюється розплавлена присадка поташу, яка стікає в бункер системи підготовки присадки - 8. Відновні гази із 7 подаються в батарею паливних елементів (БПЕ) 9. Після проходження БПЕ недоокислені паливні гази подаються в котел-утилізатор - 10 з паровою турбіною - 11, яка обертає вал турбогенератора 12, і компресори: діоксиду вуглецю - 13, кисню - 14 і метану - 15. Продукти згорання, які відпрацювали в котлі-утилізаторі, подаються на рекуперативні теплообмінники - 16 і 17, які нагрівають складові паливної суміші, і які живляться через перемикач подачі трактів палива і окислювача - 18. Охолоджені продукти згорання проходять тонку очистку 19, обезводнюються в осушувачі CО2 - 20 і заморожуються в скраплювачі - 21. Спосіб реалізується наступним чином. Паливна суміш, яка складається із кисню, забаластованого вуглекислим газом, і метану готується у вигляді двох негорючих складових. Перша має відновний характер з коефіцієнтом витрати окислювача a £ 0,6, а друга складова має окислювальний характер з a ³ 1,9. Склад відновної складової формується із умови відсутності в ній сажі на всіх етапах нагрівання. Однак, флуктуації режимів МГД установки можуть привести до появи сажі в нерозрахованих ситуаціях і частковому заростанню трубопроводів. Для усунення цього ефекту передбачений перемикач на подачі окислювальної і відновної складових паливної суміші - 18. Зміна трактів подачі веде до випалювання твердих відкладень і очистки трубопроводів. Використання суміші О2/СО2 замість чистого кисню полегшує умови роботи теплообмінників, тому що хімічна агресивність суміші нижча ніж у чистого кисню. А використання відновної складової дозволяє передати їй набагато більше тепла ніж чистому паливу, яке підігрівати більш 900К складно, тому що при цьому проходить активний розклад його з виділенням сажі. Частину холодної відновної суміші » 10% подають в проникні електродні стінки МГДГ для покращення електричних характеристик приелектродних шарів [5]. Підготовлені складові спрямовують в теплообмінні апарати і нагрівають шляхом відбору тепла від продуктів згорання. Перший ступінь нагрівання здійснюється в рекуперативному металічному теплообміннику до 1000К, другий ступінь нагрівання до 1700 - 1800К проходить в регенеративному теплообміннику с керамічною насадкою (4, 5). При цьому, у відновній складовій проходить реакція неповного горіння. Нагріті складові паливної суміші разом спалюють в камері згорання (1) при a » 1, а продукти згорання подають в канал МГДГ (2). Відпрацьовані в МГДГ продукти згорання після регенеративного теплообмінника поділяють на дві частини в співвідношенні 1/3. Меншу частин у безпосередньо використовують для проведення конверсії палива - для чого паливо і продукти згорання змішують в першій камері конверсапарату циклонному реакторі (6) в співвідношенні 1/5, яке забезпечує проходження конверсії по хімічному складу. Але оскільки тепла, яке запасається в продуктах згорання, не вистачає, реакція конверсії не йде до кінця і суміш направляють у другу каме ру конверсапарату (7) - теплообмінник-сепаратор. Там суміш, яка частково прореагувала, догрівають до температури більш ніж 1170К і доводять склад суміші до необхідного для паливних елементів по Н2 і CO. В зв'язку з тим, що попереднє підігрівання складових проводиться до температур, які реалізуються в серійних теплообмінниках, вагова доля диоксиду вуглецю в порівнянні з повітрям, яке містить азот, вибирається такою ж - на 1 молекулу кисню » 2 молекули СО2. Звідки рівняння реакції горіння має вигляд: СН4 + 2О2 + 4СО2 = СО 2 + 2Н2О + 4СО 2 (1), де СО2, що подається в КЗ, є баластом і в реакції участі не приймає. Таким чином, в одержаних продуктах згорання диоксиду вуглецю значно більше, ніж в продуктах згорання метану в повітрі. Для проведення реакцій: СН4 + Н2О = СО + ЗН 2 СН4 + СО2 = 2СО + 2Н2 (2), (3), потрібний запас по теплу і поділ потоку продуктів згорання на дві частини - яка реагує і яка гріє. Теплові рівні конверсапарату і конструкції задаються температурою плавлення поташу (конструкція виконується у вигляді 2-х камер - (6, 7)). Перша - реакційна камера конверсапарату виконується у вигляді циклонного реактору, в якому змішуються гарячі продукти згорання і метан, частково проходить конверсія, падає температура нижче точки плавлення поташу і проходить вловлювання частинок присадки, що іонізується. Друга камера, де проходить нагрівання, виконується у вигляді регенератора-сепаратора з керамічною насадкою (7). Мінімальна температура насадки обирається вище точки плавлення поташу. Тому поташ, що знаходиться в продуктах згорання, які використовуються для нагрівання суміші, конденсується на насадці і стікає в прийомний бункер системи регенерації присадки (8). Одночасно проходить додаткова очистка продуктів вуглекислотної конверсії метану від слідів лужної присадки. Оскільки температура цього потоку менша 1170К, залишки присадки знаходяться у вигляді твердих частинок і коли попадають в теплообмінник-сепаратор у вигляді пилу, він осідає на "мокрій" насадці і також виноситься в бункер (8). В батареї паливних елементів (9) паливо і окислювач використовуються не повністю і після БПЕ для допалювання направляються в котел-утилізатор паротурбінної установки (10). При цьому, можливо знизити рівень тиску в системі порівняно з газотурбінною установкою і поліпшити умови роботи паливних елементів за рахунок полегшення конструкції і сповільнення побічних реакцій: 2СО ® С + О2 (4), 2СО + 2Н2 ® СО2+СН4 (5). Особливо неприємна реакція (4), тому що поява сажі (С) отруює каталізатор і, крім того, при цьому забиваються газові канали БПЕ. Реакція (4) усувається добавкою в паливо водяної пари і проведенням реакції зрушення: 3 39287 СО + Н2О ® СО2 + Н2 спрощує процес видобування диоксиду вуглецю із продуктів згорання. 4. Використання двостадійного процесу паровуглекислотної конверсії вихідного палива забезпечує якість відновних газів по хімічному складу і температурі, яка необхідна для прямого використання в електрохімічному генераторі ПЕРКЕ. 5. Використання як окислювача вихідного палива суміші О2 і СО2, що взяте з виходу циклу, дозволяє зберегти верхню температуру циклу на рівні прототипу, використовуючи високотемпературні теплообмінники, які освоєні промисловістю. Джерела інформації. 1. Yantovskii E.T. Coal-Fired MHD Generation without exhaust gases. 11-th International Conference on MHD, 1992, Beijng, China, p. 122; Ishikawa M. and Umoto J. Cycle Analyses of Environmentally Attractive Oxygen-Coal-Fired MHD - Steam combined sistem without CO2 emission. 11-th International Conference on MHD, 1992, Beijng, China, p. 143; Ishikawa M. and Steinberg M. An Analysis of MHD Power sistems for Reduction of CO2 Ernssion. 12 International Conference on MHD, 1996, Yokohama Japan, p. 112. 2. Зинко X., Линдер. С., Равенсборг И. Новая схема магнитогидродинамической электростанции с газификацией угля. Экспресс-информация. Прямое преобразование тепловой и химической энергии в электрическую. № 19. 1976 г. Изд. ВИНИТИ. 3. Ганефельд Р.В., Яковлев B.C., Штефан В.В. и др. Спосіб спільного виробництва електричної енергії і відновного газу на енерготехнологічній МГД-установці. Патент України № 21036А від 07.10.97 р. 4. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. – Энергоатомиздат, 1991 г. 5. Ганефельд Р.В., Казакевич О.Я., Качурін О.Х., і ін. Модуль електродної стінки канала МГДгенератора. Пат. України № 17878А від 03.06.97 р. (6), що інтесифікує анодний процес в паливному елементі. Реакція (6) в даному випадку частково підготовлена заздалегідь, тому що в конверсапараті паровуглекислотна конверсія не має 100% і тому на анод поступає невелика кількість парів води. Гріюча частина продуктів згорання на виході із регенератора-сепаратора має температуру більш ніж 1170К, складається із СО2 і Н2О і після рекуператора подається прямо на низькотемпературний теплообмінник (16), де передає своє тепло паливній суміші. Після низькотемпературних теплообмінників (16, 17) продукти згорання, в яких є СО2 і Н2О, направляють в осушувач СО 2 (13) звідкіля вони попадають на компресор і повертаються у вигляді негорючих паливних сумішей з киснем і паливом через теплообмінники (4, 5) на вхід КЗ МГДГ (1). Охолоджені продукти згорання (до температури 500К) підлягають тонкій очистці, після чого обезводнюються в рідкий або твердий ("сухий лід") стан. На основі вищевикладеного, спосіб, який заявляється, порівняно з прототипом, має наступні переваги: 1. Використання як перетворювачів теплової енергії в електричну МГД-генератора, ПЕРКЕ і турбогенератора створює додаткові можливості для підвищення ККД процесу перетворення енергії. 2. Використання карбонатів лужних металів як присадки, що іонізується, в МГД-генераторі і як електроліту в ПЕРКЕ, робить ці два джерела електроенергії легкосумісними. Цьому сприяє також використання диоксиду вуглецю як робочої речовини в МГД-генераторі і ПЕРКЕ. 3. Використання як окислювача при спалюванні вихідного палива чистого кисню або суміші О2/СО2 4 39287 Фіг. __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5