способ комплексной энерготехнологической переработки углеводородных топливных газов

Формула изобретения

1. Способ комплексной энерготехнологической переработки углеводородного топливного газа, отличающийся тем, что углеводородный топливный газ подвергают адиабатическому расширению в детандерах блока 2 и подают в технологический блок 5 конверсии с получением нагретых оксида углерода и водорода и подачу их в котел-утилизатор 6 тепла с выработкой в нем пара высокого давления, который затем подают в блок 41 турбоэлектроагрегатов, а охлажденные газы сжижают и разделяют по составу в блоке 9 с их раздельным сбором в хранилищах 10 сжиженного оксида углерода, 11 сжиженного водорода и 14 сжиженного гелия и других газов, затем их сжиженного водорода в технологическом блоке 12 выделяют дейтерий и помещают в хранилище 13, одновременно осуществляют сжижение воздуха и разделение его в блоке 16 на сжиженные компоненты, которые сосредотачивают в хранилищах 17 сжиженного аргона, 18 сжиженного азота и 19 сжиженного кислорода, при этом часть жидкого кислорода из хранилища 19 подают в технологический блок 5 конверсии углеводородного топливного газа, а жидкий водород подают из хранилища 11 под давлением через рекуперативный теплообменник 23 в блок 24 синтеза аммиака, куда одновременно подают азот из хранилища 18, полученный аммиак размещают в хранилище 27, из которого аммиак подают под давлением в блок 29 синтеза карбамида, куда одновременно направляют диоксид углерода, который получают в сжиженном состоянии в котле-парогенераторе 33 в результате химического взаимодействия в нем между оксидом углерода, поступающим из хранилища 10, и кислородом - из хранилища 19, при этом оксид углерода и кислород подают в котел-парогенератор под давлением, обеспечивающим сжижение получаемого в нем диоксида углерода, получаемый в котле-парогенераторе 33 водяной пар высокого давления направляют в блок 41 для выработки электрической и тепловой энергии, а получаемый карбамид из промежуточного хранилища 38 направляют в технологический блок 39.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородного топливного газа используют метан.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дейтерий помещают в хранилище в виде тяжелой воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии комплексной переработки углеводородных топливных газов, например метана и других природных газов с получением синтезированных веществ.

Из патентной литературы известна технология синтеза карбамида из диоксида углерода и аммиака на гетерогенных оксидных катализаторах. Карбамид получают в парогазовой фазе в среде азота. В качестве гетерогенного оксидного катализатора используют высокопористый металлический никель, либо стружку из хромо-никелевой стали марки 12Х18Н10Т или 20Х18Н10Т, либо катализаторы на основе оксида алюминия состава, мас.%: NiO 8-20; CaO 10-40; Аl₂O₃ остальное до 100% или СаО 1-10; MoО₃ 12 - 20; Аl₂O₃ остальное до 100%. Процесс проводят при 100-400^oС, давлении 1-70 кг/см² и продолжительности контакта 0,2-1,0 с /см. патент РФ 2078762, С 07 С 273/04, 1997/.

В качестве ближайшего аналога принята установка с комбинированным циклом для получения синтетического газа, работа которой включает следующие приемы: углеводородное топливо, кислород и водяной пар частично сжигают в камере сгорания для получения высокой температуры и обеспечения условий для реакции остальной части этой смеси. Продукты сгорания и реакций после прохода через турбину, а затем через теплообменник, где получают водяной пар, пропускают через конденсатор для удаления жидких составляющих. Оставшиеся газы пропускают через компрессор и холодильник для получения водорода и окиси углерода, которые реагируют в технологическом реакторе и дают в результате полезный углеводород, например метанол /см. заявку Великобритании 2111602, F 01 K 23/10, 1983/.

Недостатком известной технологии является невозможность комплексной переработки углеводородного топливного газа и получения карбамида и дейтерия с исключением выбросов в атмосферу диоксида углерода.

Сущность изобретения.

Способ комплексной энерготехнологической переработки углеводородного топливного газа заключается в том, что углеводородный топливный газ подвергают адиабатическому расширению в детандерах блока 2 и подают в технологический блок 5 конверсии с получением нагретых оксида углерода и водорода и подачу их в котел-утилизатор 6 тепла с выработкой в нем пара высокого давления, который затем подают в блок 41 турбоэлектроагрегатов, а охлажденные газы сжижают и разделяют по составу в блоке 9 с их раздельным сбором в хранилищах 10 сжиженного оксида углерода, 11 сжиженного водорода и 14 сжиженною гелия и других газов, затем из сжиженного водорода в технологическом блоке 12 выделяют дейтерий и помещают в хранилище 13, одновременно осуществляют сжижение воздуха и разделение его в блоке 16 на сжиженные компоненты, которые сосредотачивают в хранилищах 17 сжиженного аргона, 18 сжиженного азота и 19 сжиженного кислорода, при этом часть жидкого кислорода из хранилища 19 подают в технологический блок 5 конверсии углеводородного топливного газа, а жидкий водород подают из хранилища 11 под давлением через рекуперативный теплообменник 23 в блок 24 синтеза аммиака, куда одновременно подают азот из хранилища 18, полученный аммиак размещают в хранилище 27, из которого аммиак подают под давлением в блок 29 синтеза карбамида, куда одновременно направляют диоксид углерода, который получают в сжиженном состоянии в котле-парогенераторе 33 в результате химического взаимодействия в нем между оксидом углерода, поступающим из хранилища 10, и кислородом - из хранилища 19, при этом оксид углерода и кислород подают в котел-парогенератор под давлением, обеспечивающим сжижение получаемого в нем диоксида углерода, получаемый в котле-парогенераторе 33 водяной пар высокого давления направляют в блок 41 для выработки электрической и тепловой энергии, а получаемый карбамид из промежуточного хранилища 38 направляют в технологический блок 39.

В качестве углеводородного топливного газа используют метан.

Дейтерий помещают в хранилище в виде тяжелой воды.

Изобретение позволяет достигнуть технический результат, заключающийся в следующем: создание энерготехнологического комплекса, в котором объединены технологические процессы производства из углеводородных газов не только энергии, но и карбамида и дейтерия с исключением выбросов в атмосферу диоксида углерода позволяет значительно повысить экономическую эффективность использования природного газа; повышение экологической безопасности за счет исключения выброса диоксида углерода в атмосферу как газа, участвующего в образовании парникового эффекта; позволяет размещать энерготехнологический комплекс внутри жилой зоны городов.

Изобретение поясняется чертежом, где изображена технологическая схема, поясняющая предлагаемый способ.

Представленная на чертеже схема технологии комплексной энерготехнологической переработки углеводородных топливных газов содержит следующие основные элементы и узлы: 1 - трубопровод подачи углеводородного топливного газа (например, метана и/или попутных газов при нефтедобыче и др.) под магистральным давлением; 2 - блок адиабатического расширения углеводородного топливного газа в турбодетандерах с выработкой электроэнергии и "холода"; 3 - линия выхода газа с пониженным давлением до ~1-2 атм; 4 - линия циркуляции хладоносителя; 5 - блок высокотемпературной конверсии метана с образованием оксида углерода и водорода; 6 - котел-утилизатор тепла; 7 - линия подачи пара на турбоагрегаты; 8 - линия выхода охлажденных газов; 9 - блок сжижения и разделения газов; 10 - хранилище сжиженного оксида углерода; 11 - хранилище сжиженного водорода; 12 - блок выделения из сжиженного водорода дейтерия; 13 - хранилище дейтерия, например, в виде тяжелой воды; 14 - хранилище сжиженного гелия и др. газов, выделенных из исходных; 15 - подача воздуха; 16 - блок сжижения и разделения воздуха на составляющие; 17 - хранилище сжиженного аргона и др. редких газов, выделенных из воздуха; 18 - хранилище сжиженного азота; 19 - хранилище сжиженного кислорода; 20 - насос подачи сжиженного кислорода к блоку 5 конверсии исходного газа; 21 - рекуперативный теплообменник; 22 - термомеханический компрессор; 23 - рекуперативный теплообменник; 24 - блок синтеза аммиака; 25 - термомеханический компрессор для жидкого азота; 26 - рекуперативный теплообменник; 27 - хранилище сжиженного аммиака; 28 - термокомпрессор подачи сжиженного аммиака; 29 - блок синтеза карбамида; 30 - насос подачи сжиженного оксида углерода в котел-парогенератор; 31 - рекуперативный теплообменник; 32 - линия подачи оксида углерода в котел-парогенератор; 33 - котел-парогенератор; 34 - термокомпрессор подачи сжиженного диоксида углерода в блок 29 синтеза карбамида; 35 - насос подачи сжиженного кислорода; 36 - рекуперативный теплообменник; 37 - линия подачи кислорода в котел-парогенератор 33; 38 - предварительное хранилище карбамида; 39 - блок товарной подготовки карбамида по техническим условиям его конкретных потребителей; 40 - линия выхода пара из котла-парогенератора 33; 41 - блок турбоэлектрогенераторов; 42 - распределитель выдачи электрической и тепловой энергии и 43 - условная линия выдачи товарного карбамида потребителям.

Котел-парогенератор 33 характеризуется полным улавливанием продуктов сгорания топлива, содержащий корпус с входным коллектором подачи воды, теплообменники и выходной паровой патрубок. Теплообменные панели котла-парогенератора выполнены с капиллярными каналами для газового топлива и окислителя, а также воды и выходного пара. При этом теплообменные панели и разделяющие их зоны горения газообразного топлива размещены в герметичном корпусе котла-парогенератора, находящегося под давлением, обеспечивающим сжижение продуктов сгорания топлива и снабженного патрубками для вывода сжиженных продуктов сгорания. Подобные теплообменные панели могут использоваться и в котле-утилизаторе 6.

Достигаемый технический результат при использовании указанного котла-парогенератора заключается в повышении технико-экономических показателей за счет снижения на несколько порядков габаритных размеров котла-парогенератора с соответствующим повышением его удельной мощности, а также в получении сжиженного углекислого газа как товарного продукта, исключая его выброс в атмосферу как фактора возникновения парникового эффекта.

Работа комплекса энерготехнологической переработки углеводородных топливных газов заключается в следующем.

Исходный углеводородный топливный газ (метан, попутные газы при нефтедобычи и др.) поступают в блок 2 адиабатического расширения в детандерах (с выработкой некоторого количества электроэнергии, а также "холода", передаваемого по линии 4). Газ с пониженным давлением по линии 3 направляют в блок 5 конверсии с образованием оксида углерода, водорода и частично диоксида углерода, которые поступают в котел-утилизатор 6 тепла. Образующийся пар высокого давления (свыше 100 атм) по линии 7 направляют в блок турбоэлектроагрегатов 41. Охлажденные газы по линии 8 направляют в блок 9, в котором производят их сжижение и разделение по составу. В результате сжиженный оксид углерода направляют в хранилище 10, сжиженный водород - в хранилище 11, а другие газы, в частности гелий, в хранилище 14. Сжиженный водород из блока 9 подают в блок 12 для изотопного выделения дейтерия с последующим его размещением в хранилище 13, например, в виде тяжелой воды.

Подачу воздуха осуществляют по линии 15 в блок 16, где его сжижают и разделяют по составляющим, при этом аргон и др. редкие газы направляют в хранилище 17, сжиженный азот - в хранилище 18, а сжиженный кислород - в хранилище 19. Из хранилища 11 жидкий водород с помощью термокомпрессора 22 под высоким давлением (свыше 100 атм) через рекуперативный теплообменник 23 подают в блок 24 синтеза аммиака. Одновременно в блок 24 подают азот из хранилища 18 с помощью термокомпрессора 25 через рекуперативный теплообменник 26. Образовавшийся аммиак собирают в хранилище 27 и термокомпрессором 28 его подают под высоким давлением в блок 29 синтеза карбамида. в котором используют катализаторы для интенсификации процессов синтеза и повышения выхода конечного продукта.

Необходимый для синтеза карбамида диоксид углерода под высоким давлением (свыше 100 атм) с помощью термокомпрессора 34 подают в блок 29 из котла парогенератора 33. Работа котла-парогенератора 33 обеспечивается подачей в него под давлением оксида углерода по линии 32, а также подачей по линии 37 кислорода под давлением из хранилища 19 с помощью насоса 35 через рекуперативный теплообменник 36. Пар высокого давления из котла-парогенератора 33 по линии 40 подают в блок 41 турбоэлектрогенераторов с дальнейшей выдачей электрической и/или тепловой энергии потребителям.

Из предварительного хранилища 38 карбамид направляют в блок 39 для его подготовки по техническим условиям конкретных потребителей.