RU2055091C1

RU2055091C1 - Method and installation for production of hydrogen and electric power from low-grade solid fuel in plasma energotechnological plant

Info

Publication number: RU2055091C1
Authority: RU
Inventors: В.Т. Малов; В.Я. Онищенко; И.Т. Малов; В.Г. Батьков
Original assignee: Фирма "Авизо"
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 1996-02-27

Abstract

FIELD: hydrogen production. SUBSTANCE: synthesized gas compressed in a compressor is delivered into separation unit comprised of two successively-installed membrane units with a compressor therebetween. The first membrane unit separates methane while synthesized gas is delivered for burning in a steam generator. The second membrane unit produces hydrogen which is supplied to the consumer or directed partly into a plasmochemical reactor. This process is realized by introducing a separating unit into the plasma energotechnological plant comprising the plasmochemical reactor, compressor, steam generator and turbogenerator. Said separating unit has two successively-installed membrane units with the compressor therebetween. EFFECT: improved functional and operating characteristics. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к получению водорода и электроэнергии из твердого низкосортного топлива и может быть использовано в энерготехнологических установках тепловых электростанций. The invention relates to the production of hydrogen and electricity from solid low-grade fuel and can be used in energy technology installations of thermal power plants.

Ближайшим к предлагаемому изобретению является известный способ получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива в плазменной энерготехнологической установке, включающий газификацию низкосортного твердого топлива в плазмохимическом реакторе, сжатие полученного синтез-газа в компрессоре, его разделение, направление синтез-газа в парогенератор для генерации водяного пара и выработки электроэнергии в турбогенераторе [1]
Там же описана установка для получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива, содержащая плазменную энерготехнологическую установку, выполненную из плазмохимического реактора, компрессора, узла разделения и узла выработки электроэнергии, включающего парогенетор и турбогенератор.Closest to the proposed invention is a known method for producing hydrogen and electric energy from low-grade solid fuel in a plasma power plant, including gasification of low-grade solid fuel in a plasma chemical reactor, compressing the resulting synthesis gas in a compressor, separating it, directing the synthesis gas to a steam generator to generate water vapor and power generation in a turbogenerator [1]
It also describes a plant for producing hydrogen and electric energy from low-grade solid fuel, containing a plasma power technological unit made of a plasma-chemical reactor, a compressor, a separation unit, and an electric power generation unit including a steam generator and a turbogenerator.

Недостатками известных способа и установки являются отпуск потребителю наряду с дорогостоящим ацетиленом сравнительно дешевых химических продуктов синтез-газа и серы и ограниченные возможности покрытия графика электрических нагрузок, т.е. недостаточная маневренность. The disadvantages of the known method and installation are holidays for consumers along with expensive acetylene of relatively cheap chemical products of synthesis gas and sulfur and the limited ability to cover the schedule of electrical loads, i.e. lack of maneuverability.

Техническим результатом изобретения является повышение экономичности и маневренности процесса получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива. The technical result of the invention is to increase the efficiency and maneuverability of the process of producing hydrogen and electricity from low-grade solid fuel.

Для достижения указанного технического результата при осуществлении способа получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива в плазменной энерготехнологической установке, включающего газификацию низкосортного твердого топлива в плазмохимическом реакторе, сжатие полученного синтез-газа в компрессоре, его разделение и направление синтез-газа в парогенератор для генерации водяного пара и выработки электроэнергии в турбогенераторе, синтез-газ после сжатия в компрессоре направляют в узел разделения, состоящий из последовательно установленных мембранных установок с компрессором между ними, в первой из которых выделяют метан, а синтез-газ направляют на сжигание в парогенератор, а во второй из синтез- газа получают водород, который направляют потребителю либо частично направляют в плазмохимический реактор. To achieve the specified technical result when implementing the method of producing hydrogen and electricity from low-grade solid fuel in a plasma energy-technological installation, including gasification of low-grade solid fuel in a plasma-chemical reactor, compressing the resulting synthesis gas in a compressor, separating it and directing the synthesis gas to a steam generator to generate water steam and power generation in the turbogenerator, the synthesis gas after compression in the compressor is sent to the separation unit, consisting of sequentially installed membrane plants with a compressor between them, in the first of which methane is released, and the synthesis gas is sent for combustion to a steam generator, and in the second, hydrogen is obtained from the synthesis gas, which is sent to the consumer or partially sent to a plasma chemical reactor.

Для достижения указанного технического результата установка для получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива, содержащая плазменную энерготехнологическую установку, выполненную из плазмохимического реактора, компрессора, узла разеделения и узла выработки электроэнергии, включающего парогенератор и турбогенератор, узел разделения содержит две последовательно установленные мембранные установки с компрессором между ними, причем продукт полученный на второй мембранной установке, направляется по двум турбопроводам, один из которых связан с потребителем, а другой с плазмохимическим реактором. To achieve the specified technical result, an installation for producing hydrogen and electricity from low-grade solid fuel containing a plasma energy-technological installation made of a plasma-chemical reactor, a compressor, a separation unit, and an electric power generation unit including a steam generator and a turbogenerator, the separation unit contains two membrane systems with a compressor in series between them, and the product obtained at the second membrane installation is sent along two turboprops wires, one of which is connected to the consumer, and the other to the plasma-chemical reactor.

На чертеже представлена принципиальная схема установки. The drawing shows a schematic diagram of the installation.

Установка для получения водорода и электроэнергии из низкосортного твердого топлива содержит плазмохимическую установку, включающую плазмохимический реактор 1 для переработки низкосортного твердого топлива, плазмохимический реактор 2 для переработки метана в ацетилен, закалочный аппарат 3 кипящего слоя с встроенными поверхностями нагрева и компрессор 7. Установка содержит узел выработки электроэнергии, включающий парогенератор 5, сжигающий синтез-газ, турбогенератор 6 для выработки электроэнергии и отпуска пара для осуществления плазмохимического процесса в реакторе 1 и турбогенератор 4 для выработки дополнительной электроэнергии. В установке имеется узел разделения, который содержит последовательно установленные мембранную разделительную установку 8 для выделения из синтез-газа метана и мембранную разделительную установку 10 для выделения из синтез-газа водорода и расположенный между ними компрессор 9. Продукт, полученный на мембранной установке 10, направляется по трубопроводу 18 в плазмохимический реактор, по трубопроводам 19 и 20 потребителю. В установке имеются в соответствии с технологическими потоками трубопровод 11 для перерабатываемого твердого топлива, трубопровод 12 для кислоpода, паропровод 13, трубопровод 14 для серосодержащего продукта, трубопровод 15 для синтез-газа, трубопровод 16 для метана, трубопровод 17 для ацетилена и паропровод 21 для пара, генерируемого в поверхностях нагрева закалочного аппарата 3. A plant for producing hydrogen and electric energy from low-grade solid fuel contains a plasma chemical installation, including a plasma chemical reactor 1 for processing low-grade solid fuel, a plasma-chemical reactor 2 for processing methane into acetylene, a quenching bed apparatus 3 with integrated heating surfaces, and a compressor 7. The installation includes a production unit electricity, including a steam generator 5, burning synthesis gas, a turbogenerator 6 for generating electricity and steam for the implementation of a chemical chemical process in reactor 1 and a turbogenerator 4 to generate additional electricity. The installation has a separation unit, which contains sequentially installed membrane separation unit 8 for separating methane from synthesis gas and a membrane separation unit 10 for separating hydrogen from synthesis gas and a compressor 9 located between them. The product obtained at membrane unit 10 is guided through pipeline 18 to the plasma chemical reactor, through pipelines 19 and 20 to the consumer. The installation includes, in accordance with the technological flows, a pipeline 11 for processed solid fuel, a pipe 12 for oxygen, a steam pipe 13, a pipe 14 for a sulfur-containing product, a pipe 15 for synthesis gas, a pipe 16 for methane, a pipe 17 for acetylene and a steam pipe 21 for steam generated in the heating surfaces of the quenching apparatus 3.

При работе описанной установки предлагаемый способ получения водорода и электроэнергии осуществляется следующим образом. During operation of the described installation, the proposed method for producing hydrogen and electricity is as follows.

Предварительно измельченное низкосортное твердое топливо, например волжский сланец, по трубопроводу 11 подают в плазмохимический реактор 1, туда же по трубопроводам 12 и 13 соответственно подают парокислородную смесь при давления пара 2 МПа и температуре 600 К, а от турбогенератора 6 направляют электроэнергию. Процесс в плазмохимическом реакторе 1 осуществляют при Т 1400-1500 К. В реакторе 1 происходит процесс плазменной переработки сланца с образованием синтез-газа (3% СН₄, 8% Н₂; 89% СО). Полученный синтез-газ сжимают в компрессоре 7 до давления 4 МПа и направляют на мембранную разделительную установку 8 для выделения метана (пермеата). А затем подают на сжигание в парогенератоp 5 по трубопроводу 15. Избыток полученного синтез-газа (ретанта) сжимают в компрессоре 9 до давления 4 МПа и направляют на мембранную разделительную установку 10 для выделения водорода (пермеата), который по трубопроводу 19 подают потребителю.Pre-crushed low-grade solid fuel, for example, Volga shale, is fed into a plasma-chemical reactor 1 through a pipe 11, and a steam-oxygen mixture is supplied thereto through a pipe 12 and 13 at a steam pressure of 2 MPa and a temperature of 600 K, and electricity is sent from the turbogenerator 6. The process in the plasma chemical reactor 1 is carried out at T 1400-1500 K. In the reactor 1 there is a process of plasma processing of shale with the formation of synthesis gas (3% CH ₄ , 8% H ₂ ; 89% CO). The resulting synthesis gas is compressed in a compressor 7 to a pressure of 4 MPa and sent to a membrane separation unit 8 to separate methane (permeate). And then it is fed for combustion to the steam generator 5 through the pipeline 15. The excess of the obtained synthesis gas (retant) is compressed in the compressor 9 to a pressure of 4 MPa and sent to the membrane separation unit 10 for hydrogen evolution (permeate), which is supplied to the consumer via the pipeline 19.

В период максимального электропотребления в энергосистеме (суточного пика графика электрических нагрузок) полученный водород по трубопроводу 18 подают в реактор 1. During the period of maximum power consumption in the power system (daily peak of the graph of electrical loads), the resulting hydrogen is fed through line 18 to reactor 1.

Серосодержащий продукт (серу) после реактора 1 по трубопроводу 14 отводят потребителю. Метан после разделительной установки 8 по трубопроводу 16 направляют в реактор 2. В плазмохимическом реакторе 2 метан разлагают при температуре примерно 1900 К с получением ацетилена. Продукты плазмохимической переработки метана подвергают закалке в аппарате 3 с кипящим слоем твердых частиц, куда для интенсификации закалки помещен охлаждаемый трубный пучок, в котором происходит генерация пара, который по паропроводу 21 направляют в турбогенератор 4 для выработки электроэнергии. После разделительной установки 10 полученный синтез-газ (ретант) по трубопроводу 20 отдают потребителю. Пар из парогенератора 5 отправляют в турбогенератор 6 для выработки электроэнергии. Пар из пpомежуточных отборов турбогенератора 6 по паропроводу 13 направляют в плазмохимический реактор 1. Sulfur-containing product (sulfur) after the reactor 1 through the pipeline 14 is discharged to the consumer. After separation unit 8, methane is sent via line 16 to reactor 2. In a plasma-chemical reactor 2, methane is decomposed at a temperature of about 1900 K to produce acetylene. Plasma-chemical products of methane processing are quenched in apparatus 3 with a fluidized bed of solid particles, where, to intensify quenching, a cooled tube bundle is placed in which steam is generated, which is sent through steam line 21 to turbogenerator 4 to generate electricity. After the separation unit 10, the resulting synthesis gas (retant) is piped 20 to the consumer. Steam from the steam generator 5 is sent to the turbogenerator 6 to generate electricity. Steam from the intermediate selection of the turbogenerator 6 through the steam line 13 is sent to the plasma chemical reactor 1.

В период максимального электропотребления в энергосистеме (суточного пика электрической нагрузки) увеличивают пропуск пара в конденсатор турбогенератора 6, чтобы обеспечить повышенную выработку электроэнергии. При этом снижают отпуск пара из промежуточного отбора турбогенератора по паропроводу 13 на нужды плазмохимического реактора 1, в котором разлагают твердое топливо. В этот период водяной пар частично заменяют водородом, поступающим по трубопроводу 18, который является хорошим энергоносителем, плазмообразующим агентом и инициирует процесс пиролиза сланца. Содержание водорода в пермеате после разделительной установки 10 достигает 98%
В период минимального электропотребления в энергосистеме (суточного провала графика электрических нагрузок) уменьшают пропуск пара в конденсатор турбогенератора 6, снижают выработку электроэнергии турбогенератором 6 до номинальной и увеличивают подачу пара из отборов турбогенератора 6 по паропроводу 13 в реактор 1 для обеспечения плазмотермического процесса. Весь водород, получаемый в этот период после разделительной установки 10 направляют потребителю по трубопроводу 19.During the period of maximum power consumption in the power system (daily peak electrical load) increase the pass of steam into the condenser of the turbogenerator 6 to provide increased power generation. This reduces the release of steam from the intermediate selection of the turbogenerator through the steam line 13 for the needs of the plasma-chemical reactor 1, in which solid fuel is decomposed. During this period, water vapor is partially replaced by hydrogen entering through the pipeline 18, which is a good energy carrier, a plasma-forming agent and initiates the process of shale pyrolysis. The hydrogen content in the permeate after separation unit 10 reaches 98%
During the period of minimum power consumption in the power system (daily failure of the schedule of electrical loads), the steam pass to the condenser of the turbogenerator 6 is reduced, the generation of electricity by the turbogenerator 6 is reduced to the nominal value, and the steam supply from the turbine generator 6 is taken off via the steam line 13 to the reactor 1 to ensure a plasma-thermal process. All hydrogen obtained during this period after the separation unit 10 is sent to the consumer through the pipeline 19.

Таким образом обеспечивают повышение экономичности и маневренности заявляемого технического решения по сравнению с прототипом. Thus, they provide increased efficiency and maneuverability of the claimed technical solution in comparison with the prototype.

Предложенный способ регулирования электрической мощности энерготехнологической установки применяют, когда исчерпаны возможности регулирования выработки электроэнергии энергетическим оборудованием. The proposed method for regulating the electric power of a power plant is used when the possibilities of regulating the generation of electricity by power equipment have been exhausted.

Claims

1. A method of producing hydrogen and electricity from low-grade solid fuel in a plasma energy-technological installation, including gasification of low-grade solid fuel in a plasma-chemical reactor, compressing the resulting synthesis gas in a compressor, separating it, directing the synthesis gas to a steam generator to generate water vapor and generate electricity in turbine generator, characterized in that the synthesis gas after compression in the compressor is sent to a separation unit, consisting of two sequentially installed membrane devices tanks with a compressor between them, in the first of which methane is released, and the synthesis gas is sent to the steam generator, and in the second, hydrogen is obtained from the synthesis gas, which is sent to the consumer, or partially sent to the plasma chemical reactor.

2. Installation for producing hydrogen and electricity from low-grade solid fuel, containing a plasma energy-technological installation made of a plasma-chemical reactor, compressor, separation unit, and an electric power generation unit, including a steam generator and a turbogenerator, characterized in that the separation unit contains two membrane units installed in series with a compressor between them, and the product obtained at the second membrane unit is sent through two pipelines, one of which is connected en with a consumer, and the other with a plasma chemical reactor.