RU2799698C1 - Energy process system for the production of ammonia, thermal and electric energy and the method of operation of the system - Google Patents
Energy process system for the production of ammonia, thermal and electric energy and the method of operation of the system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2799698C1 RU2799698C1 RU2022124135A RU2022124135A RU2799698C1 RU 2799698 C1 RU2799698 C1 RU 2799698C1 RU 2022124135 A RU2022124135 A RU 2022124135A RU 2022124135 A RU2022124135 A RU 2022124135A RU 2799698 C1 RU2799698 C1 RU 2799698C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- power plant
- energy
- oxygen
- upa
- hydrogen
- Prior art date
Links
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 74
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 41
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 81
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims abstract description 60
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 60
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 59
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 56
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 56
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 49
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 45
- 229910001868 water Inorganic materials 0.000 claims abstract description 45
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 33
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims abstract description 16
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 10
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 27
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 25
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 17
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 238000004378 air conditioning Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 29
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 10
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 10
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 10
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000047 product Substances 0.000 description 6
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 5
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 5
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 5
- 238000009620 Haber process Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 3
- ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N Propane Chemical compound CCC ATUOYWHBWRKTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001273 butane Substances 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N n-butane Chemical compound CCCC IJDNQMDRQITEOD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N n-pentane Natural products CCCCC OFBQJSOFQDEBGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001294 propane Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к энергетике, а именно к экологически чистым и экономически выгодным способам и установкам выработки полезного продукта - аммиака, тепловой и электрической энергий.The invention relates to energy, namely to environmentally friendly and cost-effective methods and installations for the production of a useful product - ammonia, thermal and electrical energy.
Известен способ и установка для выработки механической и тепловой энергии (патент РФ №2651918, опубл. 24.04.2018), включающий в себя этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину, при этом давление в камере сгорания составляет по меньшей мере 7,5 МПа; (b) отработанные в парогазовой турбине газы при давлении 0,2-0,9 МПа поступают в блок утилизации тепла и воды, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из отработанных газов (ОГ) путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из блока утилизации тепла и воды; (с) ОГ из блока утилизации тепла и воды, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в углекислотный компрессор, который сжимает газ до давления по меньшей мере 3,5 МПа; (d) сжатый ОГ подают в блок утилизации тепла и диоксида углерода, где он охлаждается до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из блока утилизации тепла и диоксида углерода; (е) некоторую часть слитой воды из блока утилизации тепла и воды подают на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (f) некоторую часть диоксида углерода, сконденсированного в блоке утилизации тепла и диоксида углерода, подают на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (g) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно под давлением, необходимым для осуществления подачи нужного количества в камеру сгорания.A known method and installation for the generation of mechanical and thermal energy (RF patent No. 2651918, publ. 04/24/2018), which includes the steps at which: (a) hot gases from the combustion chamber are sent to the inlet to the combined cycle turbine, while the pressure in the combustion chamber is at least 7.5 MPa; (b) the gases exhausted in the steam-gas turbine at a pressure of 0.2-0.9 MPa enter the heat and water recovery unit, where they are cooled to the temperature required to separate water from the exhaust gases (EG) by its condensation, then the condensed water is removed from the heat and water recovery unit; (c) exhaust gas from the heat and water recovery unit, containing carbon dioxide as the main component, is sent to the inlet to the carbon dioxide compressor, which compresses the gas to a pressure of at least 3.5 MPa; (d) compressed exhaust gas is fed into the heat and carbon dioxide recovery unit, where it is cooled to a temperature necessary for carbon dioxide condensation, then the condensed carbon dioxide is removed from the heat and carbon dioxide recovery unit; (e) some of the drained water from the heat and water recovery unit is fed to the inlet of a water pump regulator, which pumps it into the combustion chamber; (f) some of the carbon dioxide condensed in the heat recovery unit and the carbon dioxide is fed to the inlet of a carbon dioxide regulator pump, which pumps it into the combustion chamber; (g) the combustion chamber is supplied by the fuel regulator pump and the oxygen regulator pump with carbonaceous fuel and oxygen, respectively, at a pressure necessary to supply the desired amount to the combustion chamber.
Известен способ регулирования и установка для выработки механической и тепловой энергии, (патент РФ №2698865, опубл. 30.08.2019), выполненный с возможностью сжижения природного газа и включающий определение электромагнитного момента на якоре генератора, соединенного с парогазовой турбиной; оценку текущего рабочего режима установки для выработки механической и тепловой энергии на основе электромагнитного момента на якоре генератора, при этом при уменьшении электромагнитного момента ниже первого порогового значения, повышают производительность блока сжижения, в котором сжиженное углеродсодержащее топливо поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного углеродсодержащего топлива, а дополнительный жидкий кислород поступает в теплоизолированную емкость для хранения сжиженного кислорода, а при увеличении электромагнитного момента на якоре генератора выше второго порогового значения, снижают производительность блока сжижения, и включающий этапы, на которых: (а) горячие газы из камеры сгорания направляют на вход в парогазовую турбину; (b) ОГ из турбины поступают в первый охладитель ОГ; (с) ОГ из первого охладителя подают в первый контактный охладитель, где они охлаждаются до температуры, необходимой для отделения воды из ОГ путем ее конденсации, далее сконденсированная вода выводится из первого контактного охладителя; (d) ОГ из первого контактного охладителя, содержащие в качестве основного составляющего диоксид углерода, направляются на вход в компрессор; (е) сжатые компрессором ОГ подают во второй контактный охладитель, где они охлаждаются; (f) из второго контактного охладителя охлажденные ОГ поступают во второй охладитель, где ОГ охлаждаются до температуры, необходимой для конденсации диоксида углерода, далее сконденсированный диоксид углерода выводится из второго охладителя; (g) некоторая часть выведенной из первого контактного охладителя воды поступает на вход водяного насоса-регулятора, который закачивает ее в камеру сгорания; (h) некоторая часть диоксида углерода, сконденсированного во втором охладителе, поступает на вход углекислотного насоса-регулятора, который закачивает его в камеру сгорания; (i) в камеру сгорания топливным насосом-регулятором и кислородным насосом-регулятором подаются углеродсодержащее топливо и кислород соответственно, под давлением, необходимым для осуществления подачи в камеру сгорания, при этом углеродсодержащее топливо подают из теплоизолированной емкости для накопления углеродсодержащего топлива.There is a known method of regulation and installation for the generation of mechanical and thermal energy (RF patent No. 2698865, publ. 08/30/2019), made with the possibility of liquefying natural gas and including determining the electromagnetic moment at the anchor of the generator connected to the steam-gas turbine; assessment of the current operating mode of the installation for generating mechanical and thermal energy based on the electromagnetic torque at the generator armature, while reducing the electromagnetic torque below the first threshold value, increase the performance of the liquefaction unit, in which liquefied carbon-containing fuel enters a thermally insulated tank for storing liquefied carbon-containing fuel, and additional liquid oxygen enters a thermally insulated tank for storing liquefied oxygen, and with an increase in the electromagnetic torque at the generator anchor above the second threshold value, the performance of the liquefaction unit is reduced, and includes the steps at which: (a) hot gases from the combustion chamber are sent to the inlet to the combined cycle turbine; (b) the exhaust gas from the turbine enters the first exhaust gas cooler; (c) the exhaust gas from the first cooler is fed into the first contact cooler, where it is cooled to a temperature necessary to separate water from the exhaust gas by condensing it, then the condensed water is removed from the first contact cooler; (d) the exhaust gas from the first contact cooler, containing carbon dioxide as the main constituent, is sent to the compressor inlet; (f) compressed by the compressor exhaust gas is fed into the second contact cooler, where they are cooled; (f) from the second contact cooler, the cooled exhaust gas enters the second cooler, where the exhaust gas is cooled to a temperature necessary for the condensation of carbon dioxide, then the condensed carbon dioxide is removed from the second cooler; (g) some of the water removed from the first contact cooler enters the inlet of the water pump-regulator, which pumps it into the combustion chamber; (h) some of the carbon dioxide condensed in the second cooler enters the inlet of the carbon dioxide pump-regulator, which pumps it into the combustion chamber; (i) a fuel pump regulator and an oxygen pump regulator supply carbonaceous fuel and oxygen, respectively, to the combustion chamber at the pressure necessary to supply the combustion chamber, while the carbonaceous fuel is supplied from a thermally insulated carbonaceous fuel storage tank.
К недостаткам представленных аналогов можно отнести потери мощности и низкую эффективность парогазовой установки при сжижении природного газа и получении жидкого кислорода.The disadvantages of the presented analogues include power losses and low efficiency of the combined cycle plant during the liquefaction of natural gas and the production of liquid oxygen.
Известен энерготехнологический комплекс выработки тепловой и электрической энергии и способ работы комплекса, выбранный в качестве наиболее близкого аналога (патент РФ №2759794 от 17.11.2021), и который содержит энергетическую установку без выхлопа, установку криогенного разделения воздуха, соединенную с энергетической установкой без выхлопа линией подачи жидкого кислорода и линией подачи жидкого азота, источник топлива. Дополнительно содержит парогазовую установку (ПГУ), выполненную с возможностью выработки тепловой и электрической энергий, электролизер и соединенную с ним установку для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки без выхлопа, электролизер линией подачи кислорода соединен с энергетической установкой без выхлопа и линией подачи водорода - с ПГУ, которая также выполнена с возможностью передачи вырабатываемой энергии установке криогенного разделения воздуха и электролизеру. Также раскрыт способ работы энерготехнологического комплекса.Known energy technology complex for the generation of heat and electricity and the method of operation of the complex, selected as the closest analogue (RF patent No. 2759794 dated 11/17/2021), and which contains a power plant without exhaust, a cryogenic air separation unit connected to a power plant without exhaust by a line liquid oxygen supply and liquid nitrogen supply line, fuel source. It additionally contains a combined cycle plant (CCGT) configured to generate thermal and electrical energy, an electrolyzer and an installation connected to it for generating electricity from renewable energy sources (RES), while the electrolyzer is configured to produce oxygen and hydrogen from water supplied from a power plant. installation without exhaust, the electrolyzer is connected by an oxygen supply line to a power plant without exhaust and a hydrogen supply line to a CCGT, which is also configured to transfer the generated energy to the cryogenic air separation unit and the electrolyzer. The method of operation of the energy technology complex is also disclosed.
К недостаткам приведенного наиболее близкого аналога можно отнести отсутствие возможности прямого использования азота и относительно низкую эффективность использования водорода - путем его сжигания в ПГУ.The disadvantages of the given closest analogue include the lack of the possibility of direct use of nitrogen and the relatively low efficiency of hydrogen use - by burning it in a CCGT.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков.The problem to be solved by the invention is to eliminate these disadvantages.
Технический результат заключается в повышении эффективности комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также самих сред для получения полезного и высокоэнергетического продукта - аммиака.The technical result consists in increasing the efficiency of the complex, by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, as well as the media themselves to obtain a useful and high-energy product - ammonia.
Технический результат достигается энерготехнологическим комплексом, выработки тепловой и электрической энергий, содержащим энергетическую установку (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией подачи жидкого кислорода и линией подачи электрической и/или механической энергии, источник (3) топлива, электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), и соединенную с ним установку (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для подачи электрической энергии, при этом комплекс содержит установку (4) производства аммиака (УПА), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2) и линией подачи электрической и/или механической энергии с энергетической установкой (1).The technical result is achieved by an energy-technological complex for the generation of thermal and electrical energy, containing a power plant (1), which operates according to the scheme of a compressor-free combined-cycle plant, a cryogenic air separation plant (2), connected to the power plant (1) by a liquid oxygen supply line and a line supply of electrical and/or mechanical energy, fuel source (3), electrolyzer (5) is configured to produce oxygen and hydrogen from water coming from the power plant (1), and the installation (6) connected to it for generating electricity from renewable sources energy (RES) for supplying electrical energy, while the complex contains an ammonia production unit (4) connected by a hydrogen supply line (9) to an electrolyzer (5), a nitrogen supply line (11) to a WSU (2) and a supply line electrical and/or mechanical energy with a power plant (1).
Дополнительно комплекс содержит линию подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПА (4), линию отвода от УПА (4) тепловой энергии к электролизеру (5) и к энергетической установке (1), а также дополнительную линию подачи электрической энергии к электролизеру (5) от энергетической установки (1), при этом линия (11) подачи азота дополнительно проходит через энергетическую установку (1), обеспечивая передачу холода от жидкого азота для охлаждения и конденсации отработанных газов энергетической установки (1).Additionally, the complex contains a line for the supply of thermal energy from the power plant (1) to the UPA (4), a line for the removal of thermal energy from the UPA (4) to the electrolyzer (5) and to the power plant (1), as well as an additional line for supplying electrical energy to the electrolyzer (5) from the power plant (1), while the nitrogen supply line (11) additionally passes through the power plant (1), ensuring the transfer of cold from liquid nitrogen for cooling and condensing the exhaust gases of the power plant (1).
Электролизер (5) соединен линией (8) подачи кислорода с энергетической установкой (1) и выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также с возможностью подачи водорода в УПА (4) под давлением большим или равным давлению в линии (11) подачи азота от УРВ (2).The electrolyzer (5) is connected by an oxygen supply line (8) to the power plant (1) and is configured to supply oxygen to the power plant (1) at a pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1), as well as with the possibility of supplying hydrogen to the UPA (4) under a pressure greater than or equal to the pressure in the line (11) for supplying nitrogen from the air handling unit (2).
УРВ (2) соединена с энергетической установкой (1) линией подачи электрической и/или механической энергии.The WSU (2) is connected to the power plant (1) by a line for supplying electrical and/or mechanical energy.
Комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), воды, сжиженного диоксида углерода, тепловой, электрической и/или механической энергий от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (7).The complex is configured to ensure the transfer of ammonia from the UPA (4), liquefied oxygen and nitrogen from the WSU (2), water, liquefied carbon dioxide, thermal, electrical and/or mechanical energy from the power plant (1) to an external consumer (7).
Энергетическая установка (1) обеспечивает подачу электрической энергии УРВ, УПА, электролизеру и внешнему потребителю и работает за счет сжигания органического топлива в кислороде по известной схеме бескомпрессорного ПГУ (пат. РФ №2698865, опубл. 30.08.2019).The power plant (1) provides the supply of electrical energy to the URV, UPA, electrolyzer and external consumer and operates by burning organic fuel in oxygen according to the well-known scheme of a compressorless CCGT (RF Pat. No. 2698865, publ. 08/30/2019).
Электролизер (5) выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1) и давлением водорода в УПА (4) большим или равным давлению в линии подачи азота от УРВ (2) в УПА (4). При этом давление водорода и азота, передаваемых УПА (4) может определяться условиями проведения реакции получения аммиака, например, по процессу Габера в колоне синтеза аммиака среднего давления - 35 МПа, с температурой 770 К.The electrolyzer (5) is configured to supply oxygen to the power plant (1) at a pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1) and the hydrogen pressure in the UPA (4) greater than or equal to the pressure in the supply line nitrogen from WSU (2) to UPA (4). In this case, the pressure of hydrogen and nitrogen transmitted by UPA (4) can be determined by the conditions for carrying out the ammonia production reaction, for example, by the Haber process in an ammonia synthesis column of medium pressure - 35 MPa, with a temperature of 770 K.
Также технический результат достигается способом работы энерготехнологического комплекса, заключающимся в том, что выработанную установкой (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) электрическую энергию подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), которая работает по схеме бескомпрессорной парогазовой установки, на водород и кислород, полученный таким образом водород по линии (9) подачи водорода подают в установку (4) производства аммиака (УПА), где за счет химической реакции производят аммиак, соединяя водород с азотом, который поступает от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), при этом кислород от УРВ (2) подают в энергетическую установку (1), где за счет сжигания топлива, поступающего от источника (3) топлива, вырабатывают тепловую, электрическую и/или механическую энергии и подают электрическую и/или механическую энергию к УПА (4) и УРВ (2).Also, the technical result is achieved by the method of operation of the energy technological complex, which consists in the fact that the electrical energy generated by the installation (6) for generating electricity from renewable energy sources (RES) is supplied to the electrolyzer (5), where the water supplied from the power plant (1) is decomposed, which operates according to the scheme of a non-compressor combined cycle plant, for hydrogen and oxygen, the hydrogen thus obtained is fed through the hydrogen supply line (9) to the ammonia production unit (4), where ammonia is produced by chemical reaction, combining hydrogen with nitrogen, which comes from the cryogenic air separation (ASU) unit (2), while oxygen from the ASU (2) is supplied to the power plant (1), where, due to the combustion of fuel coming from the fuel source (3), heat, electricity and / or mechanical energy and supply electrical and/or mechanical energy to the UPA (4) and URV (2).
Тепловую энергию от энергетической установки (1) подают в УПА (4), а тепловую энергию из УПА (4) подают в электролизер (5) и энергетическую установку (1), а также дополнительно подают электрическую энергию от энергетической установки (1) к электролизеру (5), а азот в УПА (4) подают от УРВ (2) через энергетическую установку (1).Thermal energy from the power plant (1) is supplied to the UPA (4), and thermal energy from the UPA (4) is supplied to the electrolyzer (5) and the power plant (1), and additionally, electrical energy is supplied from the power plant (1) to the electrolyzer (5), and nitrogen is supplied to the UPA (4) from the WSU (2) through the power plant (1).
Полученный в электролизере (5) кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1) под давлением большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1).The oxygen produced in the electrolytic cell (5) is fed through the oxygen supply line (8) to the power plant (1) at a pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1).
Обеспечивают подачу аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), воды, сжиженного диоксида углерода, тепловой, электрической и/или механической энергий от энергетической установки (1) к внешнему потребителю (7).Ammonia is supplied from UPA (4), liquefied oxygen and nitrogen from URV (2), water, liquefied carbon dioxide, thermal, electrical and/or mechanical energy from power plant (1) to external consumer (7).
Водород от электролизера (5) и азот от УРВ (2) подаются в УПА (4) под давлением большим или равным давлению, определяемым условиями проведения реакции получения аммиака, например, по процессу Габера в колоне синтеза аммиака среднего давления - 35 МПа, с температурой 770 К.Hydrogen from the electrolytic cell (5) and nitrogen from the WSU (2) are supplied to the UPA (4) under pressure greater than or equal to the pressure determined by the conditions for carrying out the ammonia production reaction, for example, according to the Haber process in the ammonia synthesis column of medium pressure - 35 MPa, with a temperature 770 K.
На представленной фигуре показана схема энерготехнологического комплекса выработки аммиака, тепловой и электрической энергии.The presented figure shows a diagram of an energy-technological complex for the production of ammonia, thermal and electrical energy.
На представленной фигуре обозначены следующие элементы.In the presented figure, the following elements are indicated.
1 - энергетическая установка без выхлопа;1 - power plant without exhaust;
2 - установка криогенного разделения воздуха (УРВ);2 - installation of cryogenic air separation (URV);
3 - источник топлива;3 - fuel source;
4 - установка производства аммиака (УПА), работающая на водороде и азоте;4 - plant for the production of ammonia (UPA), operating on hydrogen and nitrogen;
5 - электролизер;5 - electrolyzer;
6 - установка для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ);6 - installation for generating electricity from renewable energy sources (RES);
7 - внешний потребитель;7 - external consumer;
8 - линия подачи кислорода от электролизера (5) к энергетической установке (1);8 - oxygen supply line from the electrolytic cell (5) to the power plant (1);
9 - линия подачи водорода от электролизера (5) к УПА (4);9 - hydrogen supply line from the electrolyzer (5) to the UPA (4);
10 - линия подачи жидкого кислорода от УРВ (2) к энергетической установке (1);10 - liquid oxygen supply line from the WSU (2) to the power plant (1);
11 - линия подачи азота от УРВ (2) к УПА (4);11 - nitrogen supply line from URV (2) to UPA (4);
12 - линия подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПА (4).12 - line for supplying thermal energy from the power plant (1) to the UPA (4).
Стрелками показаны направления движения сред в комплексе и энергий для обеспечения работоспособности комплекса.The arrows show the directions of movement of the media in the complex and the energies to ensure the operability of the complex.
Энерготехнологический комплекс, выработки тепловой и электрической энергий, а также аммиака содержит энергетическую установку (1), установку (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), соединенную с энергетической установкой (1) линией (10) подачи жидкого кислорода, что повышает энергоэффективность комплекса, за счет дополнительного повышения использования тепловой энергии жидкого кислорода, циркулирующего в комплексе, а именно холода кислорода в энергетической установке (1) в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода, и линией подачи энергии.The energy technology complex for generating heat and electricity, as well as ammonia, contains a power plant (1), a cryogenic air separation unit (2) connected to the power plant (1) by a liquid oxygen supply line (10), which increases the energy efficiency of the complex, by additionally increasing the use of the thermal energy of liquid oxygen circulating in the complex, namely the cold of oxygen in the power plant (1), in particular for cooling the exhaust gases of the power plant (1) in order to condense water and carbon dioxide, and the power supply line.
Источник (3) топлива, например, углеродсодержащего топлива, в частности, метана или пропана, или бутана, или ацетилена, или жидких углеводородов, или любых других углеродсодержащих топлив. Электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1). С электролизером (5) соединена установка (6) выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), что повышает эффективность комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии, например, таких как солнце, ветер, вода, геотермальные или их комбинации.Source (3) fuel, for example, carbonaceous fuels, in particular methane or propane, or butane, or acetylene, or liquid hydrocarbons, or any other carbonaceous fuels. The electrolyzer (5) is configured to produce oxygen and hydrogen from water coming from the power plant (1). An installation (6) for generating electricity from renewable energy sources (RES) is connected to the electrolyser (5), which increases the efficiency of the complex through the use of renewable energy sources, such as solar, wind, water, geothermal or combinations thereof.
Комплекс дополнительно содержит установку (4) производства аммиака (УПА), соединенную линией (9) подачи водорода с электролизером (5), линией (11) подачи азота с УРВ (2) и линией подачи электрической энергии с энергетической установкой (1), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезного и высокоэнергетического продукта - аммиака. При этом линия (11) подачи азота дополнительно проходит через энергетическую установку (1), для охлаждения в ней отработанных газов с целью обеспечения возможности конденсации воды и диоксида углерода.The complex additionally contains an ammonia production unit (4) connected by a hydrogen supply line (9) to an electrolyzer (5), a nitrogen supply line (11) to a WSU (2) and a power supply line to a power plant (1), which increases the efficiency of the complex, by increasing the use of media circulating in the complex, to obtain a useful and high-energy product - ammonia. At the same time, the nitrogen supply line (11) additionally passes through the power plant (1) to cool the exhaust gases in it in order to enable the condensation of water and carbon dioxide.
УПА (4) выполнена с возможностью выработки аммиака и тепловой энергий за счет соединения водорода и азота по процессу Габера, например, в колонне синтеза аммиака среднего давления - 35 МПа, с температурой 770 К (https://obrazovaka.ru/himiya/poluchenie-ammiaka.html), что позволяет снизить выбросы вредных веществ при работе комплекса в атмосферу, за счет использования азота из УРВ (2).UPA (4) is configured to generate ammonia and thermal energy by combining hydrogen and nitrogen according to the Haber process, for example, in an ammonia synthesis column of medium pressure - 35 MPa, with a temperature of 770 K (https://obrazovaka.ru/himiya/poluchenie -ammiaka.html), which allows to reduce emissions of harmful substances into the atmosphere during the operation of the complex, due to the use of nitrogen from the WSU (2).
Электролизер (5) соединен с установкой (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), при этом электролизер (5), выполнен с возможностью вырабатывать кислород и водород из воды, поступающей от энергетической установки (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса и улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды. Электролизер (5) также соединен с энергетической установкой (1) на случай отсутствия или недостаточности получаемой электрической энергии от установки (6) для разложения воды на кислород и водород, что дополнительно обеспечивает поддержания высокой эффективности работы электролизера (5) и комплекса в целом.The electrolyzer (5) is connected to the plant (6) for generating electricity from renewable energy sources (RES), while the electrolyzer (5) is configured to produce oxygen and hydrogen from the water coming from the power plant (1), which improves energy efficiency complex and improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for water electrolysis. The electrolyser (5) is also connected to the power plant (1) in case of absence or insufficiency of the electrical energy received from the plant (6) for decomposing water into oxygen and hydrogen, which additionally ensures the maintenance of high efficiency of the electrolyzer (5) and the complex as a whole.
Дополнительно комплекс содержит линию подачи тепловой энергии от энергетической установки (1) к УПА (4), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, линию отвода от УПА (4) тепловой энергии к электролизеру (5) и к энергетической установке (1), что также дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе.In addition, the complex contains a line for supplying thermal energy from the power plant (1) to the UPA (4), which further improves the efficiency of the complex, by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, the line for removing thermal energy from the UPA (4) to the electrolyzer ( 5) and to the power plant (1), which also additionally improves the efficiency of the complex, by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex.
Электролизер (5) линией (8) подачи кислорода соединен с энергетической установкой (1) и линией (9) подачи водорода - с УПА (4), которая также выполнена с возможностью передачи полученного аммиака внешнему потребителю (7) товарной продукции и вырабатываемой тепловой энергии энергетической электролизеру (5) и энергетической установке (1), что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку водорода, для производства аммиака, включающим также использование азота от УРВ (2). УПА (4) также способна принимать тепловую энергию по линии 12 от энергетической установки (1), что обеспечивает разогрев УПА (4) при ее запуске и таким образом сокращается время для выхода УПА (4) на оптимальный режим работы и как следствие повышение эффективности комплекса.The electrolyzer (5) by an oxygen supply line (8) is connected to a power plant (1) and a hydrogen supply line (9) - to a UPA (4), which is also configured to transfer the resulting ammonia to an external consumer (7) of marketable products and generated thermal energy power electrolyzer (5) and power plant (1), which additionally allows to increase the energy efficiency of the complex, due to the use of relatively cheaper oxygen and hydrogen in the complex, as well as to improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for electrolysis water, and further production of hydrogen, for the production of ammonia, including also the use of nitrogen from the WDS (2). The UPA (4) is also capable of receiving thermal energy via
Энергией, передаваемой от УПА (4) электролизеру (5) и энергетической установке (1), является тепловая энергия, получаемая в результате экзотермической каталитической реакции соединения водорода с азотом (процесс Габера):The energy transferred from the UPA (4) to the electrolyzer (5) and the power plant (1) is the thermal energy obtained as a result of the exothermic catalytic reaction of the combination of hydrogen with nitrogen (the Haber process):
N2+3Н2 ⇔ 2NH3+91,84 кДж.N 2 + 3H 2 ⇔ 2NH 3 +91.84 kJ.
За счет этого тепла подогревается вода, поступающая в электролизер (5) от энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.Due to this heat, the water entering the electrolyzer (5) from the power plant (1) is heated to the operating temperature of the electrolyzer (5), which reduces the consumption of electricity from renewable energy sources and further improves the energy efficiency of the complex by reducing energy costs.
УПА (4) дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, которая может быть электрической и/или механической, например, для приводов по меньшей мере части компрессоров и/или насосов, где может использоваться механическая энергия, а для другой части - электрическая, или один вид энергии для всего оборудования УПА (4).UPA (4) is additionally connected to the power plant (1) by a transmission line generated by the power plant (1) energy, which can be electrical and/or mechanical, for example, to drive at least some of the compressors and/or pumps, where mechanical energy can be used , and for the other part - electrical, or one type of energy for all UAN equipment (4).
УРВ (2) дополнительно соединена с энергетической установкой (1) линией передачи вырабатываемой энергетической установкой (1) энергии, которая может быть электрической и/или механической, например, для приводов по меньшей мере части компрессоров может использоваться механическая энергия, а для другой части электрическая, или один вид энергии для всего оборудования УРВ (2).The WSU (2) is additionally connected to the power plant (1) by a transmission line of the energy generated by the power plant (1), which can be electrical and/or mechanical, for example, mechanical energy can be used to drive at least part of the compressors, and electrical energy can be used for the other part. , or one type of energy for all equipment of the AVR (2).
Электролизер (5), выполнен с возможностью подачи кислорода в энергетическую установку (1) и водорода в УПА (4) под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), например, за счет работы самого электролизера (5) под высоким давлением может достигаться необходимое давление кислорода для подачи в камеру сгорания энергетической установки (1), что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет отсутствия необходимости повышения давления кислорода и водорода, либо включать один дополнительный компрессор, обеспечивающий повышение давления кислорода для подачи его в камеру сгорания энергетической установки (1) под необходимым давлением, а также другой дополнительный компрессор, обеспечивающий подачу водорода в колонну синтеза УПА (4) (Технология синтеза аммиака. Аппаратное обеспечение производства/AURL: https://proplast.ru/articles/tehnologiya-sinteza-ammiaka-apparatnoe-obespecheni/). Конструкция самого электролизера высокого давления может быть любой из известных, например, раскрытая в статье «С.П. Королёв, В.Н. Кулешов и др. / Электролизер высокого давления с фитильной подачей воды для работы в невесомости // Известия РАН. Энергетика, 2019, №2, стр. 68-77 [URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=izen&y=2019&v=0&n=2&a=IzEn1902009Korolev или в соответствии с патентом РФ 2496918, опубликованным 27.10.2013, электролизер высокого давления выполнен с возможностью получения водорода и кислорода под высоким давлением (7 МПа и более).The electrolyzer (5) is configured to supply oxygen to the power plant (1) and hydrogen to the UPA (4) under pressure greater than or equal to the pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1), for example, due to the operation The electrolyzer itself (5) under high pressure can achieve the required oxygen pressure to supply the combustion chamber of the power plant (1), which further improves the energy efficiency of the complex, due to the absence of the need to increase the pressure of oxygen and hydrogen, or turn on one additional compressor to increase the pressure oxygen to supply it to the combustion chamber of the power plant (1) under the required pressure, as well as another additional compressor that supplies hydrogen to the UPA synthesis column (4) (Ammonia synthesis technology. Production hardware / AURL: https://proplast.ru /articles/tehnologiya-sinteza-ammiaka-apparatnoe-obespecheni/ ). The design of the high-pressure electrolyzer itself can be any of the known ones, for example, disclosed in the article “S.P. Korolev, V.N. Kuleshov et al. / High-pressure electrolyzer with wick water supply for work in weightlessness // Izvestiya RAN. Energy, 2019, No. 2, pp. 68-77 [URL: https://sciencejournals.ru/view-article/?j=izen&y=2019&v=0&n=2&a=IzEn1902009Korolev or in accordance with RF patent 2496918, published on 27.10. 2013, the high pressure electrolyzer is designed to produce hydrogen and oxygen under high pressure (7 MPa or more).
Также комплекс выполнен с возможностью обеспечения передачи сжиженного кислорода от УРВ (2), а также воды и сжиженного диоксида углерода, полученных посредством ступенчатого охлаждения отработанных газов, от энергетической установки (1) и выработанной в ней (1) энергий, к внешнему потребителю (7), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования избытков сред, выработанных при эксплуатации энерготехнологического комплекса получения аммиака.Also, the complex is configured to ensure the transfer of liquefied oxygen from the WSU (2), as well as water and liquefied carbon dioxide obtained by stepwise cooling of exhaust gases, from the power plant (1) and the energy generated in it (1), to an external consumer (7 ), which additionally allows to increase the efficiency of the complex, due to the economically feasible increase in the use of excess media generated during the operation of the energy-technological complex for the production of ammonia.
Энергетическая установка (1) дополнительно включает замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, выполненный с возможностью получения тепла низкокипящей рабочей жидкостью от отработанных газов и выработки дополнительной механической энергии от расширения низкокипящей рабочей жидкости на турбине ОЦР и далее выработки дополнительной электрической энергии генератором ОЦР, соединенным с турбиной ОЦР, что повышает КПД комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, что соответствует установке, описанной в патенте RU 2739165 от 21.12.2020. Кроме того, холодная вода, сконденсированная из отработанных газов энергетической установки (1) за счет ступенчатого охлаждения, направляется в электролизер (5).The power plant (1) additionally includes a closed heat recovery circuit operating according to the ORC, made with the possibility of obtaining heat by the low-boiling working fluid from the exhaust gases and generating additional mechanical energy from the expansion of the low-boiling working fluid on the ORC turbine and further generating additional electrical energy by the ORC generator connected with an ORC turbine, which increases the efficiency of the complex by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, which corresponds to the installation described in patent RU 2739165 dated 12/21/2020. In addition, cold water condensed from the exhaust gases of the power plant (1) due to staged cooling is sent to the electrolyzer (5).
УПА (4) дополнительно выполнена с возможность передачи по меньшей мере части тепловой энергии энергетической установке (1), где также передают тепло в замкнутый контур утилизации тепла, работающий по ОЦР, что дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет увеличения использования тепла, а также улучшение экологических показателей за счет конденсации диоксида углерода.The UPA (4) is additionally configured to transfer at least part of the thermal energy to the power plant (1), where heat is also transferred to a closed heat recovery circuit operating according to the ORC, which further improves the energy efficiency of the complex by increasing the use of heat, as well as improvement of environmental performance due to carbon dioxide condensation.
Комплекс работает следующим образом.The complex works as follows.
От установки (6) для выработки электроэнергии от возобновляемых источников энергии (ВИЭ), возобновляемым источником энергии для которой может быть солнечная энергия, энергия ветра, геотермальная или их комбинации, получают электрическую энергию и далее подают на электролизер (5), где разлагают воду, которую подают от энергетической установки (1), на водород и кислород, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, а также улучшить экологические показатели комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды и самой воды от энергетической установки (1). Полученный таким образом водород по линии (9) подачи водорода подают в установку (4) производства аммиака (УПА), где за счет химической реакции производят аммиак, соединяя водород с азотом, который поступает от установки (2) криогенного разделения воздуха (УРВ), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезного и высокоэнергетического продукта - аммиака. Кислород от УРВ (2) подают в энергетическую установку (1), где за счет сжигания топлива, поступающего от источника (3) топлива, вырабатывают тепловую, электрическую и/или механическую энергии и подают электрическую и/или механическую энергию к УПА (4) и УРВ (2), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования сред, циркулирующих в комплексе, для получения полезного и высокоэнергетического продукта -аммиака.From the installation (6) for generating electricity from renewable energy sources (RES), a renewable energy source for which can be solar energy, wind energy, geothermal or combinations thereof, receive electrical energy and then feed it to the electrolyzer (5), where water is decomposed, which is supplied from the power plant (1), to hydrogen and oxygen, which allows to increase the energy efficiency of the complex, as well as improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for the electrolysis of water and the water itself from the power plant (1). The hydrogen thus obtained is fed through the hydrogen supply line (9) to the ammonia production unit (4), where ammonia is produced by chemical reaction by combining hydrogen with nitrogen, which comes from the cryogenic air separation unit (2), which increases the efficiency of the complex, by increasing the use of media circulating in the complex, to obtain a useful and high-energy product - ammonia. Oxygen from the ASU (2) is supplied to the power plant (1), where, due to the combustion of fuel coming from the fuel source (3), thermal, electrical and / or mechanical energy is generated and electrical and / or mechanical energy is supplied to the UPA (4) and URV (2), which increases the efficiency of the complex, by increasing the use of the media circulating in the complex, to obtain a useful and high-energy product -ammonia.
Тепловую энергию от энергетической установки (1) подают в УПА (4), а тепловую энергию из УПА (4) подают в электролизер (5) и энергетическую установку (1), что повышает эффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также дополнительно подают электрическую энергию от энергетической установки (1) к электролизеру (5), что дополнительно обеспечивает поддержания высокой эффективности работы электролизера (5) и комплекса в целом.Thermal energy from the power plant (1) is supplied to the UPA (4), and thermal energy from the UPA (4) is supplied to the electrolyzer (5) and the power plant (1), which increases the efficiency of the complex by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, as well as additionally supplying electrical energy from the power plant (1) to the cell (5), which additionally ensures the maintenance of high efficiency of the cell (5) and the complex as a whole.
Полученный в электролизере (5) кислород подают по линии (8) подачи кислорода в энергетическую установку (1), где его направляют в камеру сгорания энергетической установки (1), а полученный водород по линии (9) подачи водорода подают в УПА (4), где этот водород соединяется с азотом, поступающим от УРВ (2) по линии (11), при этом электрическую энергию, вырабатываемую энергетической установкой (1), передают к электролизеру (5), а к УРВ (2) от энергетической установкой (1) подают электрическую и/или механическую энергию, что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет использования относительно более дешевых кислорода и водорода в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку газа - водорода, для выработки аммиака в УПА (4) и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива в энергетической установке (1). Передача электрической энергии от энергетической установки (1) к электролизеру (5) обеспечивает работу электролизера (5) по разложению воды на газы водород и кислород в случае отсутствия или недостаточности получаемой энергии от ВИЭ, что обеспечивает эффективную работу комплекса.The oxygen obtained in the electrolyzer (5) is fed through the oxygen supply line (8) to the power plant (1), where it is sent to the combustion chamber of the power plant (1), and the resulting hydrogen is fed to the UPA (4) through the hydrogen supply line (9) , where this hydrogen is combined with nitrogen coming from the WSU (2) through the line (11), while the electrical energy generated by the power plant (1) is transferred to the electrolyzer (5), and to the WSU (2) from the power plant (1 ) supply electrical and / or mechanical energy, which allows to increase the energy efficiency of the complex, due to the use of relatively cheaper oxygen and hydrogen in the complex, as well as to improve the environmental performance of the complex, through the use of renewable energy sources (RES) for water electrolysis, and further production of gas - hydrogen, for the production of ammonia in the UPA (4) and oxygen, for the combustion of carbon-containing fuel in a power plant (1). The transfer of electrical energy from the power plant (1) to the electrolyzer (5) ensures the operation of the electrolyzer (5) to decompose water into hydrogen and oxygen gases in the absence or insufficiency of the energy received from RES, which ensures the efficient operation of the complex.
В УРВ (2) получают по меньшей мере жидкие азот и кислород, который по линии подачи жидкого кислорода (10) подают в энергетическую установку (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, а именно холода жидкого кислорода в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода, а азот по линии подачи азота (11) подают в УПА (4). При этом, холод азота перед его поступление в УПА (4) передается также энергетической установке (1), что позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, а именно холода азота в энергетической установке (1), в частности для охлаждения отработанных газов энергетической установки (1) с целью конденсации воды и диоксида углерода.In WSU (2), at least liquid nitrogen and oxygen are produced, which are fed through the liquid oxygen supply line (10) to the power plant (1), which makes it possible to increase the energy efficiency of the complex by increasing the use of thermal energy of the media, namely the cold of liquid oxygen in the power plant (1), in particular for cooling the exhaust gases of the power plant (1) in order to condense water and carbon dioxide, and nitrogen is supplied to the UPA (4) through the nitrogen supply line (11). At the same time, the cold of nitrogen before it enters the UPA (4) is also transferred to the power plant (1), which makes it possible to increase the energy efficiency of the complex by increasing the use of thermal energy of the environment, namely, the cold of nitrogen in the power plant (1), in particular for cooling exhaust gases of the power plant (1) to condense water and carbon dioxide.
От УПА (4) передают электролизеру (5) тепловую энергию, например, с водой охлаждения колонны синтеза, для подогрева воды, поступающей из энергетической установки (1), до рабочей температуры электролизера (5), что уменьшает потребление электроэнергии от ВИЭ (6) и дополнительно позволяет повысить энергоэффективность комплекса, за счет уменьшения энергозатрат.Thermal energy is transferred from the UPA (4) to the electrolyzer (5), for example, with cooling water of the synthesis column, to heat the water coming from the power plant (1) to the operating temperature of the electrolyzer (5), which reduces the consumption of electricity from RES (6) and additionally allows to increase the energy efficiency of the complex, by reducing energy costs.
Дополнительно от УПА (4) передают по меньшей мере часть тепловой энергии с водой охлаждения колонны синтеза, в энергетическую установку (1), при этом по меньшей мере часть тепла передается замкнутому контуру утилизации тепла, работающему по ОЦР, и дальнейшей тепловой обработки, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет тепла, полученного от воды охлаждения колонны синтеза, сгенерированного энергией ВИЭ, и кислорода для энергетической установки (1), полученного без затрат углеродсодержащего топлива.Additionally, at least a part of the thermal energy with cooling water of the synthesis column is transferred from the UPA (4) to the power plant (1), while at least part of the heat is transferred to a closed heat recovery circuit operating according to the ORC and further heat treatment, which allows additionally improve the energy efficiency of the complex, by increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, as well as improving the environmental performance of the complex, due to the heat obtained from the cooling water of the synthesis column generated by RES energy, and oxygen for the power plant (1), obtained without the cost of carbonaceous fuel.
Дополнительно к УРВ (2) подают энергию, выработанную энергетической установкой (1), а именно механическую и/или электрическую, при этом часть компрессоров установки (2) приводится за счет использования электрической энергии и другая часть - механической энергии, или только одним из этих видов энергий, что позволяет дополнительно повысить энергоэффективность комплекса, за счет повышения использования энергий, вырабатываемых комплексом.In addition to the WSU (2), the energy generated by the power plant (1) is supplied, namely mechanical and / or electrical, while part of the compressors of the plant (2) is driven by the use of electrical energy and the other part is driven by mechanical energy, or only one of these types of energy, which allows to further increase the energy efficiency of the complex, by increasing the use of energy generated by the complex.
Также водород к УПА (4) от электролизера (5) подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи водорода в колонну синтеза аммиака, а кислород к энергетической установке (1) от электролизера (5), подают под давлением, большим или равным давлению в линии подачи топлива перед входом в камеру сгорания энергетической установки (1), а также полученный в УРВ (2) сжиженный кислород подают к внешнему потребителю (7), при этом, как указывалось ранее известны электролизеры (5) высокого давления, способные обеспечить давление вырабатываемых газов, необходимое для их подачи в камеру сгорания энергетической установки (1) и в колонну синтеза УПА (4) без использования дополнительных компрессоров, что позволяет повысить эффективность комплекса в целом за счет такой экономии энергии на подаче водорода и кислорода от электролизера (5). Однако это не ограничивает использование электролизеров (5) только с таким давлением, при более низком давлении возможно использовать по меньшей мере один компрессор для повышения давления кислорода и один компрессор для повышения давления водорода, при этом компрессора также будут получать электрическую энергию от ВИЭ (6), что позволяет повысить эффективность комплекса, за счет уменьшения использования энергии на повышение давления кислорода. Одновременное с использованием кислорода от электролизера (5) и УРВ (2), использование водорода и азота для получения аммиака позволяет повысить эффективность комплекса, за счет уменьшения использования энергии в производстве аммиака в сравнении с традиционным его производством, исключив логистику и потери, связанные с отсутствием возможности прямого использования побочных продуктов: кислорода от электролизера - для УПА (4), водорода от электролизера - для энергетической установки (1) и азота от УРВ (2) - для энергоустановки (1). Также от энергетической установки (1) воду и сжиженный диоксид углерода, полученные ступенчатым охлаждением отработанных газов в энергетической установке (1), тепловую, электрическую и/или механическую энергию от энергетической установки (1) дополнительно подают к внешнему потребителю (7). Кроме того, к внешнему потребителю (7) обеспечивают подачу аммиака от УПА (4), сжиженных кислорода и азота от УРВ (2), что дополнительно позволяет повысить эффективность комплекса, за счет экономически целесообразного увеличения использования излишков сред, выработанных при эксплуатации комплекса.Also, hydrogen is supplied to the UPA (4) from the electrolyzer (5) under pressure greater than or equal to the pressure in the hydrogen supply line to the ammonia synthesis column, and oxygen is supplied to the power plant (1) from the electrolyzer (5) under pressure greater than or equal to pressure in the fuel supply line before entering the combustion chamber of the power plant (1), as well as the liquefied oxygen obtained in the WSU (2), is supplied to an external consumer (7), while, as mentioned earlier, high-pressure electrolyzers (5) are known that can provide the pressure of the generated gases required for their supply to the combustion chamber of the power plant (1) and to the UPA synthesis column (4) without the use of additional compressors, which makes it possible to increase the efficiency of the complex as a whole due to such energy savings in the supply of hydrogen and oxygen from the electrolyzer (5 ). However, this does not limit the use of electrolyzers (5) only with this pressure, at a lower pressure it is possible to use at least one compressor to increase the oxygen pressure and one compressor to increase the hydrogen pressure, while the compressors will also receive electrical energy from renewable energy sources (6) , which allows to increase the efficiency of the complex, by reducing the use of energy to increase the oxygen pressure. Simultaneously with the use of oxygen from the electrolyser (5) and WSU (2), the use of hydrogen and nitrogen to produce ammonia allows to increase the efficiency of the complex, by reducing the use of energy in the production of ammonia in comparison with its traditional production, eliminating logistics and losses associated with the lack of the possibility of direct use of by-products: oxygen from the electrolyzer - for the UPA (4), hydrogen from the electrolyzer - for the power plant (1) and nitrogen from the ASU (2) - for the power plant (1). Also, from the power plant (1), water and liquefied carbon dioxide obtained by stepwise cooling of exhaust gases in the power plant (1), thermal, electrical and/or mechanical energy from the power plant (1) are additionally supplied to the external consumer (7). In addition, ammonia is supplied to the external consumer (7) from the UPA (4), liquefied oxygen and nitrogen from the URV (2), which further improves the efficiency of the complex due to an economically feasible increase in the use of excess media generated during the operation of the complex.
Таким образом, достигается технический результат, заключающийся в повышении энергоэффективности комплекса, за счет прямого использования сред: воды, кислорода, водорода и азота, повышения использования тепловой энергии сред, циркулирующих в комплексе, а также в улучшении экологических показателей комплекса, за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электролиза воды, и дальнейшую выработку водорода, для выработки аммиака и кислорода, для сжигания углеродсодержащего топлива.Thus, the technical result is achieved, which consists in increasing the energy efficiency of the complex, due to the direct use of media: water, oxygen, hydrogen and nitrogen, increasing the use of thermal energy of the media circulating in the complex, as well as improving the environmental performance of the complex, through the use of renewable sources energy (RES) for the electrolysis of water, and the further production of hydrogen, for the production of ammonia and oxygen, for the combustion of carbonaceous fuels.
Claims (8)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2799698C1 true RU2799698C1 (en) | 2023-07-10 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698865C1 (en) * | 2018-10-29 | 2019-08-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy |
| RU2739165C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex |
| RU2759794C1 (en) * | 2021-05-14 | 2021-11-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2698865C1 (en) * | 2018-10-29 | 2019-08-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy |
| RU2739165C1 (en) * | 2019-12-27 | 2020-12-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex |
| RU2759794C1 (en) * | 2021-05-14 | 2021-11-17 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mahmoud et al. | A review of geothermal energy-driven hydrogen production systems | |
| CN115667465B (en) | Ultra low emission ethylene plant | |
| Ates et al. | Turkey's industrial waste heat recovery potential with power and hydrogen conversion technologies: a techno-economic analysis | |
| Hai et al. | Deep learning optimization of a biomass and biofuel-driven energy system with energy storage option for electricity, cooling, and desalinated water | |
| Obara | Economic performance of an SOFC combined system with green hydrogen methanation of stored CO2 | |
| Gholamian et al. | Techno-economic appraisal and machine learning-based gray wolf optimization of enhanced fuel cell integrated with stirling engine and vanadium-chlorine cycle | |
| WO2019030688A1 (en) | Process for the treatment of a gas mixture comprising methane, hydrogen, carbon oxide and carbon dioxide | |
| Ahn et al. | A quadruple power generation system for very high efficiency and its performance optimization using an artificial intelligence method | |
| Liang et al. | Techno-economic-environmental analysis and optimization of biomass-based SOFC poly-generation system | |
| RU2698865C1 (en) | Control method and apparatus for generating mechanical and thermal energy | |
| CN113187682A (en) | Solar energy and wind energy and gas complementary thermal power generation byproduct fertilizer device | |
| Aich et al. | Comprehensive study and design optimization of a hybrid solar-biomass system for enhanced hydrogen production and carbon dioxide reduction | |
| RU2799698C1 (en) | Energy process system for the production of ammonia, thermal and electric energy and the method of operation of the system | |
| RU2799699C1 (en) | Energy process system for the production of urea, thermal and electric energy and the method of operation of the system | |
| JPH1172028A (en) | Electric power leveling power generation method | |
| RU2739165C1 (en) | Power technological complex of natural gas processing and method of operation of complex | |
| RU2759794C1 (en) | Energy-technology complex for heat and electric energy generation and method for operation of the complex | |
| JP2025520839A (en) | Plant and method for producing ammonia | |
| CN119998605A (en) | Federated system and method for operating a federated system | |
| RU2806868C1 (en) | Energy complex for generating thermal and electrical energy and its method of operation (variant) | |
| RU2774008C1 (en) | Installation for generating thermal and mechanical energy and method for its regulation | |
| Azhar et al. | Energy, exergy and economic analyses of solid oxide fuel cell based polygeneration system with integrated carbon capture, desalination and liquefied natural gas cold energy utilization | |
| WO2008106190A2 (en) | Integrated electrochemical and thermochemical renewable energy production, storage, distribution and recycling system | |
| CN118800935B (en) | Photovoltaic photo-thermal cooperative driving fuel cell composite power system capable of improving efficiency and fixing carbon | |
| Dakkah et al. | A Novel Model of Integrated Combined Cycle Power Plants with ORC, ABRC and Hydrogen |