Спосіб спільного виробництва електричної енергії і відновного газу на енерготехнологічній мгд установці

Способ совместного производства электрической энергии и восстановительного газа на энерготехнологической МГД установке, включающий подготовку топливной смеси, передачу ей тепла от продуктов сгорания, сжигание топливной смеси в камере сгорания МГД установки, проведение термохимической переработки топлива за счет тепла продуктов сгорания, отличающийся тем, что окислитель, обогащают кислородом до 65% и смешивают с газообразным топливом в виде 2-х невоспламеняющихся составляющих - восстановительной и окислительной, обе составляющие раздельно подогревают теплом пррдуктов сгорания и восстановительного газа, полученного при термохимической переработке топлива в конверс-аппарате, продукты сгорания после МГД канала через регенеративный теплообменник подают в конверс-аппарат и получают восстановительный газ при температуре 1150 К, из восстановительного газа при температуре 1150 К извлекают основную часть ионизирующей присадки, остатки присадки из восстановительного газа извлекают после прохождения его через рекуперативные теплообменники. Изобретение относится к области энергетики и химии, а именно - к способам получения электрической энергии с помощью магнитогидродинамических генераторов (МГДГ) использующих в качестве топлива природный газ-метан, а также энергоемкой химической технологии, преобразующей метан в восстановительный газ на основе окиси углерода и водорода. Предложенный способ может найти применение при создании промышленных МГД установок, объединяющих в себе генератор электрической энергии и производство по получению восстановительного газа, водорода, метанола, аммиака и др. Известны способы термохимической переработки и облагораживания исходного топлива для камеры сгорания МГД генератора за счет использования тепла продуктов сгорания, отработавших в МГД канале [1]. Недостаток способа [1] заключается в том, что паросиловой цикл в нем находится в диапазое температур, где происходят агрегатные превращения соединений калийной ионизирующейся присадки, что существенно затрудняет его реализацию из-за высаждения последней на стенках парогенератора. Кроме того, в способе [1] вообще отсутствуют операции по улавливанию присадки в цикле. В [2] описан способ получения электрической энергии в МГД генераторе путем газификации твердого топлива и последующего сжигания продуктов газификации в камере сгорания МГД генератора. В схеме отсутствует использование продуктов газификации вне МГД установки. Наиболее близким к заявляемому является способ [3], в котором 63% продуктов газификации используются в качестве рабочего тела МГД генератора, а 37% являются побочным продуктом восстановительным газом, пригодным для использования в химической технологии. В способе для сжигания топлива использован чистый кислород -это позволяет получить высокие температуры в камере сгорания и улучшить съем мощности с МГД канала, но одновременно это является и недостатком, т.к. использование чистого кислорода в качестве окислителя существенно усложняет и удорожает техпроцесс производства энергии и восстановительного газа. Задачей настоящего изобретения является разработка способа совместного производства электрической энергии и восстановительного газа с улучшенными технико-экономическими показателями производства. Поставленная задача в заявляемом способе совместного производства электрической энергии и восстановительного газа из топлива на основе метана (природный газ) решается на МГД установке с использованием в качестве окислителя воздуха, обогащенного кислородом до 60-65% (21% < дог < 65%). Такое обогащение возможно с применением сравнительно дешевой мембранной технологии. Предлагаемый способ включает подготовку топливной смеси, передачу ей тепла от продуктов сгорания, сжигание смеси в камере сгорания МГДГ, проведение термохимической переработки топлива за счет тепла продуктов сгорания. Топливо с окислителем готовят в виде двух негорючих составляющих топливной смеси, первая из которых имеет восстановительный характер с a 1,9, где a - коэффициент расхода окислителя. Использование окислительной составляющей вместо чистого окислителя облегчает условия работы теплообменника, т.к. химическая агрессивность смеси ниже, чем у одного окислілтеля. Использование восстановительной составляющей вместо чистого топлива позволяет передать ей (составляющей) больше тепла, чем чистому топливу, т.к. чистый метан греть выше 900 К сложно, в нем идет интенсивное разложение молекул углеводорода с выделением сажи. Часть холодной негорючей топливной смеси (до 10%) подают в проницаемые электродные стенки МГД генератора для улучшения характеристик его пограничных слоев [4]. Подготовленные составляющие раздельно направляют в теіілообменные аппараты и нагревают путем отъема тепла от продуктов сгорания, покинувших МГДГ. Первая ступень нагрева осуществляется в рекуперативном металлическом теплообменнике до 1000 К, вторая ступень нагрева - до 1700 -1800 К осуществляется в регенеративном теплообменнике с керамической насадкой, при этом в восстановительной составляющей организуют реакции неполного горения, а в окислительной составляющей -реакции полного горения. Нагретые до 1800 К составляющие топливной смеси сжигают в камере сгорания при результирующем a »1, а продукты сгорания подают в МГДГ, с которого снимают полезную электрическую мощность. Отработанные в МГДГ продукты сгорания через регенеративный теплообменник направляют в конверсаппарат, куда одновременно подают метан и проводят его пароуглекислотную конверсию продуктами сгорания до получения восстановительного газа с температурой на выходе 1150 К. Эта температура ниже температуры образования твердой фазы соединений калийной ионизирующейся присадки, что позволяет из восстановительного газа извлекать основную часть присадки в виде поташа, регенерировать его и возвращать на вход в камеру сгорания МГДГ. Грубо очищенный газ в фильтрах горячей очистки подают на рекуперативный теплообменник, где его температуру понижают и ведут окончательное улавливание присадки стандартными фильтрами (рукавные, электрофильтры и т.п.). В виду неизбежных колебаний состава природного газа возможны частичные отклонения процессов неполного горения и пароуглекислотной конверсии от расчетных параметров и появление сажи в теплообменниках и конверс-аппарате. В первом случае для устранения сажи тракты подачи восстановительной и окислительной составляющих периодически меняют местами за счет переключения трубопроводов на входе теплообменников, предварительно продутых инертом. Во втором случае сажу, образующуюся в конверс-аппарате и присутствующую в восстановительном газе, улавливают вместе с присадкой и совместно подают в камеру сгорания МГДГ. Заявляемый способ имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом: - Приготовление топлива для МГД генератора и получение восстановительного газа производится раздельно. Это позволяет раздельно оптимизировать процессы выработки электрической энергии и получения восстановительного газа. - Переход на совместный подогрев всего топлива и окислителя вместо подогрева одного лишь топлива по прототипу позволяет получить более высокую температуру в камере сгорания. - Использование газовоздушной смеси для вдува в электродную стенку и управление параметрами погранслоя улучшает ресурсные и электрические характеристики МГД генератора. - Предварительное смешение топлива с окислителем как по восстановительной, так и по окислительной составляющим улучшает эффективность сжигания топлива, упрощает конструкции теплообменников и увеличивает ресурс их работы. - Дожигание сажи в самом цикле ведет к стабилизации параметров установки, реализующей заявляемый способ, и к уменьшению тепловых потерь и расходов топлива и окислителя. На фиг. 1 изображена принципиальная схема установки, реализующей заявляемый способ. Схема содержит камеру сгорания 1, соединенную со входом МГД генератора 2, имеющим проницаемые электродные стенки 3. Выход МГД канала соединен с высокотемпературными регенераторами 4, 5. В конверс-аппарат 6 поступают продукты сгорания из регенератора 5 и метан, из которых вырабатывается восстановительный газ. Последний очищается от соединений калийной присадки в горячем фильтре грубой очистки 7, а сама присадка восстанавливается системой регенерации 8, куда также поступает уловленная присадка из фильтра тонкой очистки 9. Восстановительный газ отдает свое тепло в рекуператорах 10,11 и через фильтр тонкой очистки 9 поступает к потребителю технологического сырья. Топливные смеси в рекуператоры 10, 11 поступают от компрессоров 12 и 13, после чего догреваются в регенераторах 4, 5 и подаются вместе с присадкой в камеру сгорания 1. Перед теплообменниками 10, 11 расположен переключающий узел 14, на который поступают составляющие топливной смеси 17 и 18. Первичная присадка поступает по линии 21. Отбор полезной электрической мощности Рэл производится по линии 19, а восстановительного газа - по линии 20. На фиг, 2 показана связь критического коэффициента расхода окислителя a кр, при котором происходит возгорание газовоздушной смеси, и степени обогащения воздуха кислородом - дог (% объемный). На фиг. 3 показана зависимость отношения объема продуктов неполного горения к объему исходной газовоздушной смеси -Vпрод /Vисх при неполном горении в воздухе с разной степенью обогащения кислородом дО2 от коэффициента расхода окислителя а. На фиг. 4 показана зависимость теплоты реакции неполного горения единицы объема исходной смеси С$298 метана в воздухе с разной степенью обогащения дог от коэффициента расхода окислителя а. На фиг. 5 представлена зависимость хладоресурса Qx смеси метана с воздухом при разном обогащении кислородом (дог = 0,21, и = 0,5) от коэффициента расхода окислителя при условии: tH = 25°С, tK = 2000°С (tH начальная температура смеси, tK - конечная). Процесс генерации электрической энергии и получения восстановительного газа организуется следующим образом. В камеру сгорания МГД установки 1 подают нагретые до 1700-1800 К составляющие топливной смеси - восстановительную из регенератора 5 и окислительную из регенератора 4 с результирующим а ~ 1 и калийную присадку в виде водного раствора поташа совместно с уловленными частицами сажи из системы регенерации 8. В камере сгорания температура достигает значений более 3000К, присадка ионизуется и полученная низкотемпературная плазма подается в МГД генератор 2. Электродные стенки канала МГД генератора выполнены проницаемыми с утепленными электродами и газовоздушным вдувом [4] через межэлектродные изоляторы. Состав и расход вдуваемой смеси выбирается из условия получения максимальной проводимости в пограничном слое. Плазму, отработавшую в МГД канале, с температурой около 2500К направляют в высокотемпературные регенераторы 4, 5, где происходит теплообмен между продуктами сгорания и составляющими топливной смеси. Последние нагревают от 1000К до 1700--1800K с одновременным изменением химсостава и по линиям 15,16 направляют в камеру сгорания 1, а охлажденные продукты сгорания в конверсаппарат 6. Туда же подают природный газ и производят его пароуг-лекислотную конверсию с использованием паров воды и углкислого газа продуктов cгорания по реакциям Этот процесс идет с интенсивным поглощением тепла; объем вводимого метана выбирают из условия получения на выходе конверс-аппарата восстановительного газа с температурой 1 ШОК, которая ниже температуры плавления поташа - 1170К. Количество подаваемого в конверс-аппарат природного газа зависит от состава продуктов сгорания, т.е. от степени обогащения воздуха кислородом. Например при g02 = 50% горения метана протекает по следующему уравнению В этом случае на каждый 1 м3 СН4, сжигаемый в камере сгорания, требуется подать в конверс-аппарат 3 м СН4. При этом для протекания реакции конверсии метана в конверс-аппарате требуется 7040 ккал тепла. Т.к. при охлаждении газов, полученных в результате сгорания 1 м3 метана, от температуры 2000К до 1150К можно получить только лишь 2010 ккал тепла, то, следовательно, в восстановительный газ преобразуется 3 примерно треть окислителей СО2 + Н2О продуктов сгорания Таким образом, на 1 м3 метана в камере сгорания 1 расходуется до 1 м3 метана в конверс-аппарате 6, т.е. тепловые мощности по топливу энергетического и технологического блоков энерготехнологической МГД установки близки. Абсолютная величина тепловой мощности при расходе 1 м3/с природного газа составляет около 35 мВт, а электрическая мощность МГД энергоблока определяется из локального анализа фарадеевского МГДгенератора. Плотность продуктов сгорания на входе в МГД канал, с учетом компенсации падения давления во всем высокотемпературном тракте равна r- 0,27 кг/м3. Откуда входное сечение канала S дозвукового МГДГ со скоростью рабочего тела V=1000 м/с, температурой на входе 3200К, суммарным расходом холодной топливной смеси q= 5 М3/С с плотностью r1= 1,22 кг/м3, равно С учетом соразмеримости высоты и ширины канала принимаем: где В - 4 тл - магнитная индукция. Номинальное напряжение U = Uxx/2 - 500 В. Ток в канале определим из условия, что за счет вдува конвертированного газа проводимость погранслоя близка к проводимости ядра плазмы, которая при сформированных условиях равна s= 10 см/м. Вычислим сопротивление 1 м длины канала и ток на 1 м длины в предположении равенства внутреннего и внешнего сопротивления цепи Откуда отдаваемая мощность наїм длины канала Длина канала задается температурой в конце канала, которая не может быть ниже 2500К. Полагая теплоемкость рабочего тела в канале постоянной, получим уменьшение входной энтальпии на 8 мВт, куда входят тепловые потери в МГД канале и полезная генерируемая электрическая мощность. Для МГДГ такого масштаба эти величины соизмеримы и длина МГД канала составляет - 4 м, а полезная электрическая мощность 4 мВт. Тепловые потери в таком канале проверим по экспериментально полученным тепловым потокам на огневые стенки комбинированного исполнения, которые составляют g = 0,5-1 мВт/м2. Учитывая, что МГД канал, как правило, выполняется расширяющимся, огневая поверхность 4-метрового канала составляет 5 м2 и суммарный тепловой поток на стенку приблизительно равен 4 мВт. Правильность выполненной оценки электрической мощности проверяется по двум показателям: плотности потока на электрод и продольной электрической напряженности в канале. Полученная плотность тока превышает реализуемую величину в МГД каналах с неуправляемым пограничным слоем (около 1 а/см ) и может быть получена только за счет вдува в погран-слой высокотемпературного восстановительного газа. Продольная напряженность электрического поля Ех при В = 4 тл и номинальном токе близка к поперечной на холостом ходу Эта величина также близка к экспериментально полученным предельным значениям для электродного шага - 2 см и допустимом напряжении - 80 в, реализуемом при вдуве в межэлектродный зазор восстановительного газа. Если вести пароуглекислотную конверсию всех продуктов сгорания до СО и Н2, в конверс-аппарат необходимо подавать еще 5300 ккал на каждые 1 м3 СО2 + 2 м3 Н2О. При сохранении состава восстановительного газа по СО и Н2 и отсутствии в нем СО2 и Н2О это тепло образуется при введении дополнительного метана и кислорода в конверс-аппарат. На каждые 1 м СО2 + 2м3 Н2О вводится дополнительно 15 м СН4 и 7,5 м3 О2. Итого на 1 м СН4 подаваемого в камеру сгорания 1, в конверс-аппарате приходится 18 м3 СН4 + 7,5 м3 О2. При таком исполнении энерготехнологическая установка практически превращается в технологическую. Полученный восстановительный газ при температуре 1150К, запыленный макрочастицами поташа, подают в фильтр грубой очистки 7, где улавливается большая часть ионизирующейся присадки и сбрасывается в узел регенерации 8. Температура восстановительного газа после фильтра достаточно велика (> 1000К), поэтому его подают в металлические рекуператоры 11,10, где производят предварительный нагрев составляющих топливной смеси до 1000К без изменения их химсостава с одновременным понижением температуры восстановительного газа до 500К. При такой температуре выполняют тонкую очистку восстановительного газа рукавными фильтрами или электрофильтрами 9 и выдают газ потребителю, а уловленные соединения ионизирующейся присадки направляют в узел регенерации 8, откуда -. в камеру сгорания 1. Описанный процесс генерации электрической энергии и получения восстановительного газа реализуется при неизменных входных параметрах составляющих топливной смеси по линиям 17 и 18 и выходных параметрах - генерируемой электрической мощности Р э по линии 19 и восстановительного газа по линии 20. Но поскольку и потребители по линиям 19,20 работают в нестационарных режимах, и неизбежны колебания состава поступающего природного газа, а также существуют естественные турбулентные флюктуации в газовых потоках установки, возможны отклонения процессов от описанных, Поэтому необходимы специальные приемы по поддержанию качества функционирования заявляемого способа в динамике. В первую очередь необходимо рассмотреть операцию по устойчивости режима получения восстановительной составляющей топливной смеси по линии 15. Ее состав по a 1 определен несколькими ограничениями как сверху, так и снизу. Первое ограничение по a 1 состоит в том, что восстановительная составляющая должна быть невоспламеняема при любых допустимых колебаниях ее состава и температуры транепорта, вызванных нестационарными явлениями. Это условие выполняется легко для газовоздушных смесей, критическое значение коэффициента расхода окислителя у которых aкр = 0,6. При степенях обогащения g02 > 0,21 aкр падает. На фиг. 2 приведена зависимость aкр = f(go 2)> откуда видно, что для чистого кислорода (gо2 = І.0) a кp = 0.32 и очень близко к нижнему пределу, который выбирается из второго ограничения на a 1, связанного с отсутствием сажеобразования в процессе транспорта и нагрева в регенераторе восстановительной составляющей. Теоретическая величина a 1, ниже которой начинается процесс сажеобразования, определяется из уравнения откуда следует расход кислорода на полное сжигание метана по реакции СH4 + 2О2 = СО2 + Н2О. При a a minвозможны локальные значения a< amin, то необходимо предусмотреть меры по устранению сажи. Энергетические и материальные потери, связанные с появлением сажи в регенеративном теплообменнике 5 заявляемого способа, устраняются за счет оригинальной организации процесса. Поскольку насадка регенератора, где происходит разложение метана и выпадение сажи, периодически в период нагрева регенератора омывается продуктами сгорания, содержащими H2Q и СО2, то происходит газификация углерода продуктами сгорания. При температуре более 1370К газификация углерода протекает по реакциям и, в результате, происходит очистка регенератора от выпавшей сажи. Образующиеся продукты газификации сажи СО и Н2 поступают в конверс-аппарат и, таким образом, увеличивают выход восстановительного газа. Третье ограничение по a 1 связано с хладоресурсом восстановительной составляющей. Реакция неполного горения метана идет с выделением тепла, поэтому выигрыш по температуре в камере сгорания МГДГ от нагрева восстановительной смеси возможен только в том случае, если эффект, полученный от увеличения объема продуктов конверсии по реакциям газификации углерода, будет превышать эффект выделившегося тепла. Это хорошо видно на фиг. 3 и 4. С ростом а выход продуктов реакции уменьшается от 1,7 до 1 (фиг. 3), а тепловой эффект растет (фиг. 4). Поэтому хладоресурс смеси резко падает. На фиг. 5 приведен хладоресурс газовоздушной смеси при нагреве ее до 2000°С (начальная температура - 25°С); откуда следует, что в интервале a= 0,25-0,30 хладоресурс газовоздушной смеси, составляющий 890730 ккал/м3, выше чем у азота и воздуха (соответственно 708 и 720 ккал/м3). При увеличении степени обогащения воздуха (дог) этот эффект усиливается, так как уменьшается количество балластного азота и отношение полученного объема газа к исходному растет быстрее. Поэтому a 1 восстановительной составляющей должно выбираться минимально допустимым как по условиям сажеобразования, так и с точки зрения максимальной энтальпии восстановительной составляющей перед камерой сгорания. Вторым узлом, где в нестационарных режимах возможно появление сажи, является конверс-аппарат, режим работы которого определяется также двумя противоречивыми требованиями. Завершенность процесса пароуглекислотной конверсии ограничивает температуру в конверс-аппарате снизу, что достигается использованием в низкотемпературной части конверс-ап парата катализаторов, например, никелевых, которые эффективно работают при температуре до 1150К. С другой стороны процесс улавливания присадки связан с температурой плавления поташа, которая ограничивает температуру на выходе конверс-аппарата сверху. Во всем тракте от камеры сгорания до входа в конверс-аппарат 6 присадка находится в газообразном состоянии, поэтому стенки всех газоходов выполнены футерованными с температурой огневой поверхности более 1500К. Изменение агрегатного состояния соединений присадки в конверс-аппарате, где диапазон изменения температур 2000-1 ІБОКобеспечивает переход соединений присадки от газообразных к твердым с одновременным изменением химсостава от едкого кали к поташу в виде субмикронных частиц. Первоначальное улавливание этих частиц происходит в фильтре грубой очистки 7, где совместно с поташем из потока восстановительного газа извлекаются частицы сажи, появляющиеся в конверс-аппарате. В дальнейшем при регенерации присадки частицы сажи остаются в водном растворе поташа в виде суспензии. Попадая в камеру сгорания, сажа дожигается, тем самым увеличивается тепловая мощность установки и устраняются энергетические и материальные потери.