EA004897B1

EA004897B1 - Способ использования запасов газа с низким содержанием метана в качестве топлива для газовых турбин

Info

Publication number: EA004897B1
Application number: EA200200631A
Authority: EA
Inventors: Фрэнк Ф. Миттрикер
Original assignee: Эксон Кемикэл Пейтентс Инк.
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2004-08-26
Also published as: AU776117B2; DE60018103D1; MY150401A; AU776117C; US6585784B1; US7998227B2; WO2001042636A1; CN1425104A; DE60018103T2; HK1055142A1; CN1187519C; EA200200631A1; US20050193764A1; AU2093501A; US20030188536A1; ATE289004T1; US6858049B2; MY125232A; EP1238188A1; EP1238188B1

Abstract

В изобретении описан способ использования в качестве топлива для газовой турбины запасов природного газа с низким содержанием метана. Изобретение позволяет использовать запасы такого газа в качестве топлива для газотурбинных электрогенераторов. При осуществлении предлагаемого способа добываемый природный газ, в котором содержится приблизительно не более 40 об.% метана, смешивают с газообразным водородом, получая смесь обогащенного водородом метана и газообразного водорода, содержание в которой водорода обеспечивает устойчивый режим сгорания топлива. При необходимости смесь обогащенного водородом метана и водорода обезвоживают, удаляя из нее воду в количестве, достаточном для устойчивого сгорания обогащенной водородом обезвоженной смеси метана и водорода. Обогащенная водородом смесь водорода и содержащегося в природном газе метана используется в качестве топлива для газотурбинных генераторов.

Description

Настоящее изобретение относится к способу использования в качестве топлива природного газа с низким содержанием метана, теплотворная способность которого в обычных условиях не достаточна для получения дешевой электрической энергии с помощью газотурбинных генераторов. Изобретение, в частности, относится к использованию в качестве топлива смеси газов, в которой концентрация газообразного метана не превышает приблизительно 40 об.% от общего объема газа. В используемой в качестве топлива смеси газов содержится газообразный водород, который способствует ее более эффективному сгоранию.

Предпосылки создания изобретения

В настоящее время существуют большие запасы природного газа с относительно низким содержанием метана. Содержание в природном газе метана на большинстве месторождений не превышает 40 об.%. В настоящее время из природного газа после удаления из него загрязняющих примесей получают перекачиваемый по газопроводам газ высокого качества, концентрация метана в котором составляет приблизительно от более 95 до более 99 об.%. Перекачиваемый по газопроводам газ с высоким содержанием метана затем обрабатывают, добавляя к нему водород, и используют в качестве топлива в газовых турбинах, как это описано, например, в ЕР 0351094 А1 и И8 4132065. Получение из природного газа, в котором содержание метана не превышает приблизительно 40 об.%, перекачиваемого по газопроводам высококачественного газа связано с высокими затратами, и поэтому использование такого газа в качестве топлива в вырабатывающих электрическую энергию газотурбинных генераторах оказывается экономически нецелесообразным. Кроме того, природный газ, содержание метана в котором не превышает приблизительно 40 об.%, нельзя использовать в качестве топлива в газотурбинных электрогенераторах, поскольку природный газ со столь низким содержанием метана не создает устойчивого пламени без применения специальных катализаторов и соответствующего согласования количества подаваемого в камеру сгорания кислорода с количеством других участвующих в процессе горения компонентов.

Краткое изложение сущности изобретения

Настоящее изобретение относится к способу использования в качестве топлива для газовых турбин запасов природного газа с относительно низким содержанием метана. Предлагаемое в изобретении решение позволяет использовать такие запасы природного газа в качестве топлива для газотурбинных электрогенераторов. В настоящее время, как уже было отмечено выше, такой газ можно использовать в качестве топлива для газовых турбин только после его соответствующей обработки и удаления из него различных примесей. Кроме того, о чем также уже было сказано выше, существую щая в настоящее время технология обработки природного газа связана с высокими затратами, и поэтому при высокой стоимости газа его использование в качестве топлива для газовых турбин является экономически нецелесообразным. В соответствии с предлагаемым в настоящем изобретении способом природный газ очищают от содержащихся в нем загрязняющих окружающую среду примесей, оставляя в нем для максимального увеличения массового расхода поступающего в газовую турбину газа инертные газы, в частности диоксид углерода, и используя газообразный водород или изменяя с его помощью процентное содержание в газе метана, получают горючую содержащую водород и метан смесь, которую можно использовать в газовых турбинах в качестве газообразного топлива, теплотворная способность которого составляет по меньшей мере 110 Британских тепловых единиц (БТЕ) на куб.фут при нормальных условиях (298 ккал/м³ ) и которое в отличие от обычного природного газа, содержащего приблизительно от более 95 до более 99 об.% метана, позволяет создавать в камере сгорания устойчивый режим горения и повышать полезную мощность турбины. При осуществлении предлагаемого в изобретении способа добываемый природный газ, содержащий не более 40 об.% метана, смешивают с газообразным водородом с получением обогащенной водородом смеси метана и водорода (которую можно назвать обогащенным водородом природным газом), содержание в которой водорода достаточно для сжигания топлива в режиме устойчивого горения. При необходимости обогащенную водородом смесь метана и водорода можно подвергнуть осушке, удалив из нее воду в количестве, достаточном для сжигания обогащенной водородом обезвоженной смеси метана и водорода в режиме устойчивого горения. Одной из существенных особенностей предлагаемого в изобретении способа является наличие в обогащенной водородом смеси метана и водорода по меньшей мере 6 об.% водорода. Полученную предлагаемым в изобретении способом устойчиво горящую обогащенную водородом обезвоженную смесь метана и водорода используют затем в качестве топлива в газотурбинных электрогенераторах. Предлагаемый в настоящем изобретении способ позволяет увеличить мощность газовой турбины по меньшей мере на 10% по сравнению с турбинами, в которых в качестве топлива используется обычный природный газ с содержанием метана приблизительно от 95 до более 99 об.%. В большинстве случаев реализация настоящего изобретения позволяет увеличить выходную мощность турбины по меньшей мере на 20% и максимум на 30%, причем последнее значение обусловлено ограничениями, связанными с конструкцией и механической прочностью газовой турбины.

В соответствии с одной из отличительных особенностей предлагаемого в изобретении способа часть содержащегося в природном газе метана каталитически конвертируют или превращают в газообразный водород, который входит в состав обогащенной водородом смеси метана и водорода. Конверсия метана происходит в результате следующих реакций:

СН₄ + СО₂ 2СО +2Н₂СН₄ + 2Н₂О СО₂ +4Н₂

В соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения из природного газа до конверсии содержащегося в нем метана удаляют сульфиды и другие сернистые компоненты, такие как СО8, К8Н и К88К, используя для этого физический растворитель, позволяющий получить природный газ, не содержащий активных соединений серы. Физический растворитель, селективно удаляя из природного газа сероводород и другие сернистые газы, практически не меняет содержание в нем диоксида углерода и других инертных газов, таких как гелий, аргон и азот. В качестве физического растворителя можно использовать растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, смесь диметиловых эфиров полиэтиленгликоля (с молекулярной массой около 280), пропиленкарбонат (1_кип 240°С), И-метил-2пирролидон (I.... 202°С), смесь метилового и изопропилового эфиров олигоэтиленгликоля (1_[к||| 320°С), три-н-бутилфосфонат (1_кип 180°С при 30 мм рт.ст.) и метилцианоацетат (1_кип202°С). Обессеренный (не содержащий активных соединений серы) природный газ смешивают с водой в количестве, достаточном для получения из метана водорода и сжигания топлива в устойчивом режиме горения или получения газообразного топлива, теплотворная способность которого превышает 110 БТЕ на куб. фут при нормальных условиях (298 ккал/м³). При этом удалять из природного газа сероводород и другие сернистые газы следует до получения водорода из части метана в результате реформинга, при котором используют катализатор, который может потерять свои качества при отравлении сероводородом или другим сернистым газом. К чувствительным к отравляющему действию серы катализаторам, которые можно использовать при осуществлении предлагаемого в изобретении способа, относятся катализаторы серии С11 фирмы Ипйей Са1а1ук1 1пс., катализаторы марки К67 фирмы На1йот Торкое и катализаторы 61-25 фирмы ВЛ8Е (все указанные выше названия катализаторов являются товарными знаками, принадлежащими соответствующим фирмам-изготовителям). В качестве высокотемпературных катализаторов конверсии обессеренного природного газа обычно используют катализаторы на основе железа, хрома и меди. Низкотемпературные катализаторы конверсии обессеренного природного газа обычно представляют собой катализаторы на основе меди, цинка и алюминия.

Согласно еще одному из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения реакцию конверсии проводят при наличии в газе серы или ее соединений, используя для этого такие катализаторы, как катализаторы серии С25 фирмы Ипйей Са1а1ук1 1пс., катализаторы марки К8-11 фирмы ВЛ8Е и катализаторы марки 88К фирмы На1йот Торкое. Эти катализаторы представляют собой по существу катализаторы на основе хрома и молибдена. В этом варианте сернистый природный газ и воду смешивают с определенным количеством воды, получая смесь газообразного метана и воды, из которой образуется или получается в результате соответствующего преобразования газообразный водород в количестве, достаточном для устойчивого сжигания обогащенной водородом смеси метана и водорода, в которой содержится не более 40 об.% метана.

В другом варианте используют запасы природного газа, в котором содержится менее 35, 25 или даже менее 20 об.% метана, который используют в качестве топлива в газовой турбине и получают при этом большую мощность, чем при использовании в ней в качестве топлива обычного перекачиваемого по газопроводам метана. При осуществлении изобретения соответствующее количество метана превращают в водород с получением газообразной смеси метана и водорода, в которой содержится по меньшей мере 6, предпочтительно приблизительно от 6 до 10 об.% водорода. Такой способ позволяет получать устойчиво горящую обогащенную водородом смесь метана и водорода, которую с высокой эффективностью можно использовать в качестве топлива в газотурбинных электрогенераторах.

Краткое описание чертежей

На прилагаемом к описанию чертеже показана технологическая схема установки, предназначенной для осуществления предлагаемого в изобретении способа.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения

Поступающий на установку, схема которой показана на чертеже, обессеренный природный газ, содержание в котором метана не превышает 40 об.%, получают после предварительной обработки добываемого в скважине природного газа физическим растворителем, в качестве которого используют метанол, смесь диметиловых эфиров полиэтиленгликоля, пропиленкарбонат, N-метил-2-пирролидон, смесь метилового и изопропилового эфиров олигоэтиленгликоля, три-н-бутилфосфонат или метилцианоацетат, удаляя из него в результате такой обработки только сероводород и другие газообразные сернистые компоненты и оставляя все инертные газы. Обессеренный природный газ по трубопроводу 1 подается в реактор 2 с защит ным слоем оксида цинка, который препятствует эмиссии газообразного сероводорода. После перемешивания в трубопроводе 3 прошедшего через слой оксида цинка обессеренного природного газа с водой образуется смесь газообразного метана и воды. Смесь газа и воды при температуре около 70°Р (21°С) под давлением около 355 фунтов на кв. дюйм по трубопроводу 3 поступает в первый (сточный) теплообменник 4, в котором ее температура повышается приблизительно до 800°Р (427°С). При перемешивании с природным газом соответствующего количества воды происходит конверсия метана в водород с образованием устойчиво горящей обогащенной водородом обезвоженной смеси метана и водорода, которая затем подается в газотурбинный электрогенератор. После перемешивания обессеренного природного газа с водой и его нагревания в теплообменнике нагретая обессеренная смесь природного газа и воды подается по трубопроводу 5 с давлением около 345 фунтов на кв. дюйм (24,3 кг/см²) и температурой около 800°Р (427°С) в змеевик парогенератора для регенерации тепла (змеевик ПГРТ), в котором в результате дальнейшего увеличения температуры из обессеренной смеси природного газа с водой образуется горячая обессеренная смесь газа и воды, которая с температурой около 950°Р (510°С) попадает в трубопровод 7. По трубопроводу 7 горячая смесь обессеренного газа и воды с давлением около 340 фунтов на кв. дюйм (23,9 кг/см²) поступает в реактор 8, в котором в результате конверсии части метана, содержащегося в смеси обессеренного газа с водой, образуется обогащенная водородом смесь метана, водорода и воды. В подаваемой в этот реактор смеси обессеренного газа с водой происходит каталитическое взаимодействие метана с водой с образованием газообразного водорода с давлением около 340 фунтов на кв. дюйм (23,9 кг/см²) и температурой более 700°Р (371°С), предпочтительно в пределах приблизительно от 900°Р (482°С) до 950°Р (510°С). Увеличение температуры способствует более эффективной конверсии, а увеличение давления приводит к обратному результату. Поэтому давление в реакторе не должно превышать 1500 фунтов на кв. дюйм (105,5 кг/см²). После конверсии соответствующего количества метана и образования водорода, количество которого в обезвоженном газе (см. ниже) составляет по меньшей мере 6 об.%, обогащенная водородом смесь метана, водорода и воды при температуре около 855°Р (457°С) и давлении около 335 фунтов на кв. дюйм (23,6 кг/см²) возвращается по трубопроводу 9 в первый (сточный) теплообменник, в котором она нагревает поступающую в него смесь метана с водой. После охлаждения обогащенная водородом смесь метана, водорода и воды по трубопроводу 10 поступает в дегидрирующий барабанный сепаратор 12 (БС), предназначенный для ее обезвоживания. В БС точка росы поступающей в него смеси снижается, и конденсирующаяся вода отделяется от газа. Из поступающей в барабанный сепаратор смеси после отделения воды в количестве, обеспечивающем устойчивый режим горения топлива, получают газ, теплотворная способность которого составляет по меньшей мере около 110 БТЕ на куб. фут при нормальных условиях (298 ккал/м³). Обычно в сепараторе из газа выделяют приблизительно от 97 до 99 или более мас.% содержащейся в нем воды. Вода, образовавшаяся в результате обезвоживания обогащенной водородом смеси метана, газообразного водорода и воды, выводится из БС по трубопроводу 14 и перекачивается при температуре около 100°Р (38°С) и давлении около 500 фунтов на кв. дюйм (35,2 кг/см²) конденсатным насосом 16 по трубопроводу 18 в первый (сточный) теплообменник 4. Обезвоженная обогащенная водородом смесь метана и водорода, содержание в которой водорода составляет по меньшей мере 6 об.% или достаточно для поддержания устойчивого режима горения, из БС при температуре около 100°Р (38°С) и давлении около 325 фунтов на кв. дюйм (22,8 кг/см²) по трубопроводу 20 подается в газотурбинный генератор (ГТГ). Полученное таким путем газообразное топливо, теплотворная способность которого составляет по меньшей мере около 110 БТЕ на куб. фут при нормальных условиях (298 ккал/м³), может использоваться в газотурбинном генераторе в режиме устойчивого сгорания.

Газообразное топливо для газовых турбин можно получать описанным выше способом и из сернистого (не подвергавшегося сероочистке) природного газа, используя катализатор, не чувствительный к воздействию или не отравляемый содержащимися в природном газе сернистыми газами. Учитывая, однако, требования, связанные с защитой окружающей среды, по крайней мере некоторые из содержащихся в природном газе сернистых газов, в частности сероводород, должны быть удалены из него по крайней мере частично.

В другом варианте осуществления изобретения, не показанном на чертежах, предлагается способ повышения полезной мощности газовой турбины генератора, работающей на обезвоженной обогащенной водородом смеси метана с водородом, основанный на наддуве в турбину инертных газов, увеличивающих массовый расход газа в турбине. Суммарное количество газа, сжигаемого в этом варианте в качестве топлива в турбине, должно обеспечивать устойчивый режим горения, а его теплотворная способность должна составлять по меньшей мере около 110 БТЕ на куб.фут при нормальных условиях (298 ккал/м³). Инертные газы следует нагнетать в обогащенную водородом смесь метана после ее сгорания и до попадания выходящих из камеры сгорания горячих газов в детандер турбины. В зависимости от количества содержащегося в

Ί смеси газообразного метана полезную мощность турбины можно за счет этого увеличить приблизительно на 0,5-9%. Увеличение мощности турбины соответствует процентному увеличению массового расхода газов в детандере турбины.

Ниже изобретение проиллюстрировано на примере.

Пример

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ
	Единицы измерения	Обычная	С наддувом, повышенной мощности
Условия работы
Температура окружающего воздуха	=Р/°С	60/15,5	60/15,5
Давление окружающего воздуха (абс.)	фунты на кв. дюйм/кг 2 на см	11,57/8,135	11.57/8,135
Относительная влажность	%	60	60
Перепад давления на входе	дюймы вод.ст./см вод.ст.	3,0/29,4	3,0/29,4
Характеристики турбины
Полезная мощность генератора	кВт/ккал-с	156100/37309	157100/37548
Потребление тепла (НТС)	БТЕ/чх10’^в/ 1 п-8 ккал-сх10	1477,1/0,10	1486,9/0,10
Тепловая мощность (ПТС)	БТЕ на кВт-ч/ккал-с	9,461/0,66	9,462/0,66
Топливо
Состав диоксид углерода водород азот метан другие составляющие	об.%	62,5 10,0 5,4 20,3 1,8	62,5 10,0 5,4 20,3 1,8
НТС (низкая теплотворная способность)	БТЕ на фунт/ккал на	2424,0/1639	2424,0/1639
Расход газообразного топлива	БТЕ на куб.фут при нормальных условиях /ккал на м³	212,5/575,9	212,5/575.9
фунт в /кг в с	169,3/76,8	170,4/77,3
Давление (абс.)	фунты на кв. дюйм/кг 2 на см	325/22,9	325/22,9
Температура	°Е/°С	80/26,7	80/26,7

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАЗОВОЙ ТУРБИНЫ

	Единицы измерения	Обычная	С наддувом, повышенной МОЩНОСТИ
Газ для наддува
Состав диоксид углерода	об.%	100	100
Расход	фунт в с /кг в с	0,0/0,0	4,0/1,8
Давление (абс.)	фунты на кв. дюйм/кг 2 на см	285/20,0	285/20,0
Температура	°Р/°С	300/149	300/149
Отработавшие газы
Расход отработавших газов	фунт в /кг в с	925,3/419,7	930,4/422
Температура отработавших газов	°Е/°С	1093,1/589,5	1095,1/590,6
Состав отработавших газов	об.%
диоксид углерода		13,79	14,12
аргон		1,07	1,07
азот		65,78	65,53
кислород		9,83	9,74
вода		9,53	9,55
Давление отработавших газов	дюймы вод.ст./см вод.ст.	15,0/38,1	15.0/38,1
ΝΟχ (термальные)	рршуб при 15%-ном содержании О₂	<10	<10

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ обеспечения газовой турбины используемым в качестве топлива метаном, содержащимся в добываемом природном газе, заключающийся в том, что смешивают природный газ и газообразный водород, получая обогащенную водородом смесь метана, и полученную обогащенную водородом смесь метана подают в газовую турбину, отличающийся тем, что природный газ, добываемый из запасов природного газа, содержит не более 40 об.% газообразного метана и обогащенная водородом смесь метана содержит по меньшей мере 6 об.% водорода.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют природный газ с содержанием приблизительно менее 35 об.% метана, а в смеси обогащенного водородом метана содержится приблизительно от 6 до 10 об.% газообразного водорода.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют природный газ с содержанием менее 20 об.% метана, а в смеси обогащенного водородом метана содержится приблизительно от 6 до 10 об.% газообразного водорода.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что из природного газа удаляют по крайней мере один сернистый компонент с получением из него не содержащего активных соединений серы природного газа, при смешивании природного газа с газообразным водородом смешивают обессеренный природный газ с водой, получая гидратированный обессеренный природный газ, каталитически конвертируют часть метана, содержащегося в гидратированном обессеренном природном газе, в газообразный водород, получая гидратированный обогащенный водородом природный газ, обезвоживают гидратированный обогащенный водородом природный газ, получая устойчиво горящий обезвоженный обогащенный водородом природный газ, и используют полученный обезвоженный обогащенный водородом природный газ в качестве топлива для газовой турбины.
5. Способ п.4, отличающийся тем, что при удалении из природного газа сернистого компонента из него удаляют сероводород.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что сероводород удаляют из природного газа с помощью физического растворителя, удаляя при этом из него минимальное количество инертного газа.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве физического растворителя используют растворитель, выбранный из группы, включающей метанол, смесь диметиловых эфиров полиэтиленгликоля, пропиленкарбонат, И-метил-2пирролидон, смесь метилового и изопропилового эфиров олигоэтиленгликоля, три-н-бутилфосфонат, метилцианоацетат и их смеси.
8. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что в обезвоженном, обогащенном водородом природном газе содержится по меньшей мере 6 об.% газообразного водорода.
9. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что содержащийся в гидратированном обессеренном природном газе метан каталитически конвертируют с использованием катализатора, выбранного из группы, включающей катализаторы на основе железа, хрома и меди, катализаторы на основе меди, цинка и алюминия и их смеси.
10. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют природный газ с содержанием метана приблизительно не более 35 об.%, а в обезвоженном обогащенном водородом природном газе содержится приблизительно от 6 до 10 об.% газообразного водорода.
11. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют природный газ с содержанием метана приблизительно не более 20 об.%, а в обезвоженном, обогащенном водородом природном газе содержится приблизительно от 6 до 10 об.% газообразного водорода.
12. Способ по п.1, отличающийся тем, что смешивают сернистый природный газ с водой, получая гидратированный сернистый природный газ, при этом при смешении природного газа с газообразным водородом каталитически конвертируют часть содержащегося в гидратированном сернистом природном газе метана в водород, получая гидратированный, обогащенный водородом природный газ, обезвоживают гидратированный, обогащенный водородом природный газ, получая устойчиво горящий обезвоженный, обогащенный водородом природный газ, и обезвоженный, обогащенный водородом природный газ используют в качестве газообразного топлива для газовой турбины.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что в гидратированном, обогащенном водородом природном газе содержится по меньшей мере 6 об.% газообразного водорода.
14. Способ по п.12, отличающийся тем, что метан, содержащийся в гидратированном сернистом природном газе, каталитически конвертируют с использованием катализатора на основе хрома и молибдена.
15. Способ по п.12, отличающийся тем, что в природном газе содержится не более 35 об.% газообразного метана, а в обезвоженном, обогащенном водородом природном газе содержится приблизительно от 6 до 10 об.% газообразного водорода.
16. Способ по п.12, отличающийся тем, что в природном газе содержится не более 20 об.% газообразного метана, а в обезвоженном, обогащенном водородом природном газе содержится приблизительно от 6 до 10 об.% газообразного водорода.
17. Способ по п.4, отличающийся тем, что в турбину вместе с обезвоженным, обогащенным водородом природным газом подают методом наддува инертный газ.
18. Способ по п.12, отличающийся тем, что в турбину вместе с обезвоженным, обогащенным водородом природным газом подают методом наддува инертный газ.