RU2757044C1

RU2757044C1 - Thermal hydrogen generator

Info

Publication number: RU2757044C1
Application number: RU2021104018A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов
Priority date: 2021-02-17
Filing date: 2021-02-17
Publication date: 2021-10-11

Abstract

FIELD: heat producing devices.

SUBSTANCE: invention relates to heat generating plants operating using natural gas, and serves for the disposal of harmful gaseous emissions. In a hydrogen-thermal generator, the product pipelines are connected through a heat exchanger to a hydrogen separation unit consisting of several adsorbers. The adsorber includes a vertical cylindrical column equipped from below with a synthesis gas inlet pipe connected to product pipelines, flushing water pipes, a hydrogen outlet pipe located in the lid, and conical suction pipes located in the side of the adsorber column. Inside the adsorber, horizontal perforated partitions with a layer of granulated blast furnace slag are located between the conical nozzles, forming purification stages. The conical pipes are connected by pipelines to the receiving chamber of the fuel ejector through the suction pipe. The nozzle of the ejector is connected to the fuel pipeline, and its diffuser is connected to the burner of the steam generator.

EFFECT: increase in the economic and environmental efficiency of a hydrogen-thermal generator by simultaneously generating heat, chemical products and hydrogen in it by using the technological capabilities of the heat generator.

1 cl, 2 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих установках, работающих на природном газе, для увеличения экономической эффективности и уменьшения загрязнения окружающей атмосферы путем утилизации вредных газообразных выбросов.The proposed invention relates to power engineering and can be used in heat generating plants operating on natural gas to increase economic efficiency and reduce environmental pollution by utilizing harmful gaseous emissions.

Известно устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, содержащее два одинаковых конвертера, параллельно присоединенных к подводящим и отводящим коммуникациям, каждый из которых состоит из корпуса, внутри которого снизу вверх помещены: камера подготовки реакционной смеси (камера смешения), обечайка которой снабжена тангенциальными патрубками газообразного топлива и водяного пара, а верхний торец соединен с трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону риформинга, покрыта слоем никелевого катализатора на керамической основе, верхний конец труб соединен с камерой усреднения, крышка которой снабжена патрубком выхода конвертированного газа (синтез-газа), причем над камерой смешения помещена кольцевая камера сгорания, снабженная тангенциальной горелкой и сообщающаяся с конвективной шахтой, соединенной с кольцевым коллектором, снабженным патрубком дымовых газов, причем выходные торцы патрубков соединены с коллекторами конвертируемого природного газа, водяного пара, конвертированного газа и дымовых газов, соответственно, горелки соединены с коллектором природного газа и коллектором воздуха, а коллекторы конвертированного газа соединены с горелками топки котла [Патент РФ №2388523, F23C 99/00, F23C 13/00, 2010].A device for the preparation and combustion of gaseous fuel is known, containing two identical converters connected in parallel to the supply and outlet communications, each of which consists of a housing, inside of which are placed from the bottom up: a chamber for preparing the reaction mixture (mixing chamber), the shell of which is equipped with tangential branch pipes of a gaseous fuel and water vapor, and the upper end is connected to pipes, the walls of which are made of heat-resistant material, in each of which swirler blades are fixed at the inlet, forming a turbulization zone, and the rest of the inner surface, which is a reforming zone, is covered with a layer of a nickel catalyst on a ceramic base , the upper end of the pipes is connected to the homogenization chamber, the lid of which is equipped with a converted gas (synthesis gas) outlet, and above the mixing chamber there is an annular combustion chamber equipped with a tangential burner and communicating with a convective shaft connected to the rings th collector equipped with a flue gas pipe, and the outlet ends of the pipes are connected to the collectors of convertible natural gas, steam, converted gas and flue gases, respectively, the burners are connected to the natural gas collector and the air collector, and the converted gas collectors are connected to the burners of the boiler furnace [ RF patent No. 2388523, F23C 99/00, F23C 13/00, 2010].

Основными недостатками известного устройства подготовки и сжигания газообразного топлива являются необходимость использования компрессора для создания требуемого давления в конвертере, сложность конструкции, сжигание газа в камере сгорания, расположенной вне топки котла, невозможность использования диоксида углерода дымовых газов для генерации синтез-газа и последующее сжигание полученных компонентов конвертированного газа в топке теплогенератора, что снижает экономическую и экологическую эффективность теплогенерирующей установки.The main disadvantages of the known device for the preparation and combustion of gaseous fuel are the need to use a compressor to create the required pressure in the converter, the complexity of the design, gas combustion in the combustion chamber located outside the boiler furnace, the impossibility of using flue gas carbon dioxide to generate synthesis gas and the subsequent combustion of the resulting components. converted gas in the furnace of the heat generator, which reduces the economic and environmental efficiency of the heat generating plant.

Более близким к предлагаемому изобретению является теплохимический генератор, содержащий парогенератор, снабженный пароперегревателем и конвективной шахтой с хвостовыми поверхностями, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов, узел подготовки реакционной смеси, представляющий собой двухступенчатый эжектор, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I-й и II-й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру, сопло и диффузор, при этом приемная камера и сопло I-й ступени соединены трубопроводами с патрубком выхода диоксида углерода классификатора и газопроводом, приемная камера II-й ступени соединена с диффузором I-й ступени, сопло в приемной камере II-й ступени соединена с пароперегревателем, а диффузор II-й ступени соединен с трубой распределителя, который, в свою очередь, через питательные трубопроводы, снабженные запорно-регулирующими устройствами и входными регенеративными трубопроводами также, соединены с двумя одинаковыми конвертерами, расположенными внутри парогенератора между пароперегревателем и хвостовыми поверхностями, причем каждый конвертер состоит из верхнего коллектора, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с питательным трубопроводом и нижнего коллектора, представляющего собой камеру усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону конверсии, покрыта слоем катализатора, нижний торец реакционных труб соединен с нижним коллектором, снабженным выходным трубопроводом, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы со своими запорно-регулирующими устройствами [Патент РФ №2679770, F23C 99/00, F23C 13/00, 2019]. Closer to the proposed invention is a thermochemical generator containing a steam generator equipped with a superheater and a convective shaft with tail surfaces, a flue gas treatment zone and a classifier for separating purified flue gases, a reaction mixture preparation unit, which is a two-stage ejector, consisting of sequentially placed along the gas flow and interconnected 1st and 2nd stages, each of which contains a receiving chamber, a nozzle and a diffuser, while the receiving chamber and a nozzle of the 1st stage are connected by pipelines with the carbon dioxide outlet of the classifier and a gas pipeline, the receiving chamber of the II stage is connected to the diffuser of the first stage, the nozzle in the receiving chamber of the second stage is connected to the superheater, and the diffuser of the second stage is connected to the distributor pipe, which, in turn, through feed pipelines equipped with shut-off and regulating devices and inlet regenerative pipelines also, with are united with two identical converters located inside the steam generator between the superheater and the tail surfaces, and each converter consists of an upper header, which is a heating chamber, connected to the feed pipeline and a lower header, which is a homogenization chamber, which are interconnected by vertical reaction tubes, walls which are made of heat-resistant material, in each of which swirler blades are fixed at the inlet, forming a turbulization zone, and the rest of the inner surface, which is a conversion zone, is covered with a catalyst layer, the lower end of the reaction tubes is connected to the lower manifold equipped with an outlet pipeline divided into a regenerative and product pipelines with their locking and control devices [RF Patent No. 2679770, F23C 99/00, F23C 13/00, 2019].

Недостатком известного теплохимического генератора является невозможность получения в качестве продукта водорода из синтез-газа, что снижает экономическую эффективность установки.The disadvantage of the known thermochemical generator is the impossibility of obtaining hydrogen as a product from synthesis gas, which reduces the economic efficiency of the installation.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение экономической и экологической эффективности тепловодородного генератора путем одновременной генерации в нем тепла, химических продуктов и водорода за счет использования технологических возможностей теплогенератора.The technical result of the proposed invention is to increase the economic and environmental efficiency of a thermal hydrogen generator by simultaneously generating heat, chemical products and hydrogen in it through the use of the technological capabilities of the heat generator.

Технический результат достигается в тепловодородном генераторе, содержащем парогенератор, снабженный пароперегревателем и конвективной шахтой с хвостовыми поверхностями, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов, узел подготовки реакционной смеси, представляющий собой двухступенчатый эжектор, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I-й и II-й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру, сопло и диффузор, при этом приемная камера и сопло I-й ступени соединены трубопроводами с патрубком выхода диоксида углерода классификатора и газопроводом, приемная камера II-й ступени соединена с диффузором I-й ступени, сопло в приемной камере II-й ступени соединена с пароперегревателем, а диффузор II-й ступени соединен с трубой распределителя, который, в свою очередь, через питательные трубопроводы, снабженные запорно-регулирующими устройствами и входными регенеративными трубопроводами также, соединены с двумя одинаковыми конвертерами, расположенными внутри парогенератора между пароперегревателем и хвостовыми поверхностями, каждый из которых состоит из верхнего коллектора и нижнего коллектора, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами, в каждой из которых на входе устроена зона турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону конверсии, покрыта слоем катализатора, нижний торец реакционных труб соединен с нижним коллектором, снабженным выходным трубопроводом, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы со своими запорно-регулирующими устройствами, причем продуктовые трубопроводы соединены через теплообменник с узлом выделения водорода, состоящим из нескольких адсорберов, каждый из которых представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну, снабженную снизу патрубком входа синтез-газа, соединенным с продуктовыми трубопроводами, патрубками промывочной воды, патрубком выхода водорода, расположенным в крышке и коническими патрубками отсоса, расположенными в боковой части колонны адсорбера, внутри которого между коническими патрубками расположены горизонтальные перфорированные перегородки со слоем гранулированного доменного шлака, образующие ступени очистки, причем конические патрубки соединены трубопроводами с приемной камерой топливного эжектора через всасывающий патрубок, сопло вышеупомянутого эжектора соединено с топливным трубопроводом, а его диффузор с горелкой парогенератора.The technical result is achieved in a thermal hydrogen generator containing a steam generator equipped with a superheater and a convection shaft with tail surfaces, a flue gas treatment zone and a classifier for separating purified flue gases, a reaction mixture preparation unit, which is a two-stage ejector, consisting of sequentially placed along the gas flow and connected between themselves the 1st and 2nd stages, each of which contains a receiving chamber, a nozzle and a diffuser, while the receiving chamber and a nozzle of the 1st stage are connected by pipelines with the carbon dioxide outlet of the classifier and a gas pipeline, the receiving chamber of the 2nd stage is connected with a diffuser of the first stage, the nozzle in the receiving chamber of the second stage is connected to the superheater, and the diffuser of the second stage is connected to the distributor pipe, which, in turn, through feed pipelines equipped with shut-off and regulating devices and inlet regenerative pipelines , connected to two identical converters located inside the steam generator between the superheater and tail surfaces, each of which consists of an upper header and a lower header, which are interconnected by vertical reaction tubes, in each of which a turbulization zone is arranged at the inlet, and the rest of the inner surface, which is a conversion zone , covered with a catalyst layer, the lower end of the reaction tubes is connected to the lower header, equipped with an outlet pipeline, divided into regenerative and product pipelines with their own shut-off and control devices, and the product pipelines are connected through a heat exchanger with a hydrogen evolution unit, consisting of several adsorbers, each of which is a vertical cylindrical column equipped with a synthesis gas inlet from the bottom connected to product pipelines, wash water nozzles, a hydrogen outlet located in the lid and a conical nozzle suction chambers located in the side part of the adsorber column, inside which horizontal perforated partitions with a layer of granular blast furnace slag are located between the conical nozzles, forming cleaning stages, and the conical nozzles are connected by pipelines with the intake chamber of the fuel ejector through the suction nozzle, the nozzle of the aforementioned ejector is connected to the fuel pipeline , and its diffuser with a steam generator burner.

Тепловодородный генератор изображен на фиг. 1, 2 (фиг. 1 - схема установки, фиг. 2 - разрез адсорбера 27). A thermal hydrogen generator is shown in FIG. 1, 2 (Fig. 1 is a diagram of the installation, Fig. 2 is a section through the adsorber 27).

Предлагаемый тепловодородный генератор содержит парогенератор 1, снабженный пароперегревателем 2 и конвективной шахтой 3 с хвостовыми поверхностями 4, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов (на фиг. 1, 2 не показаны), узел подготовки реакционной смеси 5, представляющий собой двухступенчатый эжектор 6, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I-й и II-й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру 7, сопло 8 и диффузор 9, при этом приемная камера 7 и сопло 8 I-й ступени соединены трубопроводами 10 и 11 с патрубком выхода диоксида углерода (СО₂) классификатора и газопроводом (на фиг. 1, 2 не показаны), соответственно, приемная камера 7 II-й ступени соединена с диффузором 9 I-й ступени, сопло II-й ступени соединена с пароперегревателем 2, а диффузор 9 II-й ступени соединен с трубой распределителя 12, который, в свою очередь, через питательные трубопроводы 13, снабженные запорно-регулирующими устройствами (ЗРУ) 14 и входными регенеративными трубопроводами 15 с ЗРУ 16, соединены с двумя одинаковыми конвертерами 17, расположенными внутри парогенератора 1 между пароперегревателем 2 и хвостовыми поверхностями 4. Каждый конвертер 17 состоит из верхнего коллектора 18, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с трубопроводом 13 и нижнего коллектора 19, представляющего собой камеру усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами 20, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых расположены зона турбулизации и зона конверсии, покрытая слоем, например, никелевого катализатора на керамической основе (на фиг. 1, 2 не показаны), нижний торец реакционных труб 20 соединен с нижним коллектором 19, снабженным выходным трубопроводом 21, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы 22 и 23 с ЗРУ 24 и 25, соответственно, причем продуктовые трубопроводы 23 соединены через теплообменник (на фиг. 1, 2 не показан) с узлом выделения водорода 26, состоящим из нескольких адсорберов 27 (на фиг. 1, 2 изображен один), каждый из которых представляет собой вертикальную цилиндрическую колонну, снабженную снизу патрубком входа синтез-газа 28, соединенным с продуктовыми трубопроводами 23, патрубками промывочной воды 29, расположенными вверху и в днище, патрубком выхода водорода 30, расположенным в крышке и коническими патрубками отсоса 31, расположенными в боковой части колонны адсорбера 27, внутри которого между коническими патрубками 31 расположены горизонтальные перфорированные перегородки 32 со слоем гранулированного доменного шлака 33 с диаметром гранул размером (10-15) мм, образующие ступени очистки 34, причем конические патрубки 31 соединены трубопроводами 35 с приемной камерой топливного эжектора 36 через всасывающий патрубок 37, снабженный ЗРУ 38, сопло 39 эжектора 36 соединено с топливным трубопроводом, а его диффузор 40 с горелкой парогенератора (на фиг. 1, 2 не показаны).The proposed thermal hydrogen generator contains a steam generator 1 equipped with a superheater 2 and a convection shaft 3 with tail surfaces 4, a flue gas treatment zone and a classifier for separating purified flue gases (not shown in Figs. 1, 2), a reaction mixture preparation unit 5, which is a two-stage ejector 6, consisting of sequentially placed along the gas flow and interconnected 1st and 2nd stages, each of which contains a receiving chamber 7, a nozzle 8 and a diffuser 9, while the receiving chamber 7 and nozzle 8 of the 1st stage are connected pipelines 10 and 11 with a carbon dioxide (CO ₂ ) outlet of the classifier and a gas pipeline (not shown in Figs. 1, 2), respectively, the receiving chamber 7 of the II stage is connected to the diffuser 9 of the I stage, the nozzle of the II stage connected to the superheater 2, and the diffuser 9 of the II stage is connected to the distributor pipe 12, which, in turn, through the feed pipelines 13, equipped with shut-off and control devices devices (ZRU) 14 and input regenerative pipelines 15 with closed switchgear 16 are connected to two identical converters 17 located inside the steam generator 1 between the superheater 2 and the tail surfaces 4. Each converter 17 consists of an upper header 18, which is a heating chamber connected to the pipeline 13 and the lower collector 19, which is an averaging chamber, which are interconnected by vertical reaction tubes 20, the walls of which are made of refractory material, in each of which there are a turbulization zone and a conversion zone covered with a layer, for example, of a nickel catalyst on a ceramic base (on fig. 1, 2 are not shown), the lower end of the reaction tubes 20 is connected to the lower collector 19, equipped with an outlet pipeline 21, divided into regenerative and product pipelines 22 and 23 with closed switchgear 24 and 25, respectively, and the product pipelines 23 are connected through a heat exchanger (in Fig. . 1, 2 not shown) with a hydrogen evolution unit 26, consisting of several adsorbers 27 (in Fig. 1, 2 shows one), each of which is a vertical cylindrical column, equipped with a bottom branch pipe inlet synthesis gas 28, connected to the product pipelines 23, flushing water nozzles 29 located at the top and bottom, a hydrogen outlet nozzle 30 located in the lid and conical suction nozzles 31 located in the side of the adsorber column 27, inside which, between the conical nozzles 31, there are horizontal perforated partitions 32 with a layer of granular blast-furnace slag 33 with a granule diameter of (10-15) mm in size, forming steps drains 34, and the conical nozzles 31 are connected by pipelines 35 with the receiving chamber of the fuel ejector 36 through the suction nozzle 37 equipped with the closed switchgear 38, the nozzle 39 of the ejector 36 is connected to the fuel pipeline, and its diffuser 40 is connected to the burner of the steam generator (in Fig. 1, 2 are not shown).

Предлагаемый тепловодородный генератор работает следующим образом. При установившемся режиме работы парогенератора 1, зоны обработки и классификатора (на фиг. 1, 2 не показаны) в узел подготовки реакционной смеси 5 (I-ю ступень двухступенчатого эжектора 6) поступает природный газ из газораспределительного пункта с давлением Р_г, который смешивается с СО₂, поступающего из классификатора (на фиг. 1-3 не показаны) с давлением

в приемную камеру 7 I-й ступени, с созданием давления образовавшейся газоуглекислотной смеси Р₁, далее вышеупомянутая смесь поступает приемную камеру 7 II-й ступени эжектора 6, где из сопла 8 подается перегретый пар с давлением Р_п значительно выше 1 МПа, где образуется парогазоуглекислотная смесь с давлением Р₂также выше 1 МПа, которая поступает в трубу распределителя 12. Полученная парогазоуглекислотная смесь с давлением Р₂из распределителя 12 по питательному трубопроводу 13 поступает в верхний коллектор 18 (камеру нагрева) работающего конвертера 17, где нагревается дымовыми газами до температуры выше 800°С после чего распределяется по реакционным трубам 20. Нагретая до температуры выше 800°С при давлении Р₂>1 Мпа, парогазоуглекислотная смесь поступает в реакционные трубы 20, где в зоне конверсии, покрытой, например, слоем никелевого катализатора на керамической основе (на фиг.1, 2 не показан), где происходит каталитическая реакция конверсии метана, диоксида углерода и воды (паровая и углекислотная конверсия) с поглощением теплоты (кДж/моль) по уравнениям окислительной конверсии метана в синтез-газ [Д.Ю. Гамбург и др. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд. - М.: 1989, 672 с.; Арутюнов В.С., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998, с. 350; Bradford M.C.J., Vannice M.A. Catal. Revs., 1999, v. 41, № 1, p. 1042]: The proposed thermal hydrogen generator works as follows. In the steady-state mode of operation of the steam generator 1, the treatment zone and the classifier (not shown in Figs. 1, 2), natural gas is supplied to the unit for preparation of the reaction mixture 5 (the first stage of the two-stage ejector 6) from the gas distribution point with pressure P _g , which is mixed with CO ₂ coming from the classifier (not shown in Figs. 1-3) with pressure

into the receiving chamber 7 of the first stage, with the creation of pressure of the formed gas-carbon dioxide mixture P ₁ , then the above-mentioned mixture enters the receiving chamber 7 of the second stage of the ejector 6, where from the nozzle 8 superheated steam is supplied with a pressure P _p significantly higher than 1 MPa, where a steam-gas-carbon-dioxide mixture with a pressure of Р _{2 is} also higher than 1 MPa, which enters the distributor pipe 12. The obtained steam-gas-carbon dioxide mixture with pressure Р ₂ from distributor 12 through the feed pipeline 13 enters the upper collector 18 (heating chamber) of the operating converter 17, where it is heated by flue gases to temperature above 800 ° C and then distributed to the reaction tubes 20. The heated to a temperature above 800 ° C at a pressure P _2> 1 MPa, parogazouglekislotnaya mixture enters the reaction tube 20, wherein in the conversion zone, coated with, for example, a layer of nickel catalyst on ceramic basis (not shown in Figs. 1, 2), where the catalytic reaction of conversion of methane, carbon dioxide and water takes place ( steam and carbon dioxide conversion) with heat absorption (kJ / mol) according to the equations of oxidative conversion of methane into synthesis gas [D.Yu. Hamburg and others. Hydrogen. Properties, receipt, storage, transportation, application: Ref. ed. - M .: 1989, 672 p .; Arutyunov V.S., Krylov O.V. Oxidative transformations of methane. Moscow: Nauka, 1998, p. 350; Bradford MCJ, Vannice MA Catal. Revs., 1999, v. 41, no. 1, p. 1042]:

паровая конверсия steam conversion

CH₄+ H₂O = CO + 3H₂ (∆Н = +206 кДж/моль) (1) CH ₄ + H ₂ O = CO + 3H ₂ (∆H = +206 kJ / mol) (1)

углекислотная конверсия carbon dioxide conversion

CH₄ + CO₂ = 2СО + 2 H₂ (∆Н = +247 кДж/моль), (2)CH ₄ + CO ₂ = 2СО + 2 H ₂ (∆Н = +247 kJ / mol), (2)

где тепло реакции получают в результате нагрева реакционных труб 20 топочными газами с температурой выше 1000°С. Полученный синтез-газ, состоящий в основном из оксида углерода СО и водорода Н₂, из реакционных труб 20 поступает в нижний коллектор 19 (камеру усреднения), смешивается, в результате чего происходит усреднение концентраций всех его компонентов, и через трубопроводы 21 и 23 поступает в теплообменник (на фиг. 1, 2 не показан), где синтез-газ охлаждается водой или воздухом до температуры (40-50)°С (тип хладоагента принимают, исходя из технологии производства тепла), после чего полностью или частично (частично-в случае использования части синтез-газа для производства других химических продуктов) подается в узел выделения водорода 26. Охлажденный синтез-газ через патрубок 28 поступают в нижнюю часть адсорбера 27 и последовательно проходят через все ступени очистки 34 для улавливания оксида углерода и других кислых компонентов. В каждой из этих ступеней 34 синтез-газ проходит через отверстия в горизонтальных перфорированных перегородках 32, после чего контактирует с гранулированным доменным шлаком 33, обладающим основными свойствами [Строительные материалы. Справочник. Под ред. Болдырева А. С. и др. - М.: Стройизд., 1989, с. 423; Домокеев А. К. Строительные материалы. - М.: Высш. школа, 1989, с. 163], что позволяет сорбировать на поверхности и в порах его гранул вещества, обладающие кислыми свойствами, к которым относятся оксид углерода - СО [Справочник химика, т.I. - М. - Л.: Химия, 1968, c. 484]. В результате неоднократного контакта с гранулированным доменным шлаком 33, который сорбирует СОи другие кислые компоненты, на выходе из последней ступени 34 газ представляет собой практически чистый водород, который через патрубок 30 поступает в сборник водорода (на фиг. 1, 2 не показан).where the heat of reaction is obtained by heating the reaction tubes 20 with flue gases with a temperature above 1000 ° C. The resulting synthesis gas, consisting mainly of carbon monoxide CO and hydrogen H₂, from the reaction tubes 20 enters the lower collector 19 (averaging chamber), mixes, as a result of which the concentrations of all its components are averaged, and through pipelines 21 and 23 enters the heat exchanger (not shown in Figs. 1, 2), where synthesis the gas is cooled with water or air to a temperature of (40-50) ° С (the type of refrigerant is taken based on the technology of heat production), after which it is fully or partially (in the case of using part of the synthesis gas for the production of other chemical products) supplied to the unit hydrogen evolution 26. Cooled synthesis gas through a branch pipe 28 enters the lower part of the adsorber 27 and successively passes through all purification stages 34 to capture carbon monoxide and other acidic components. In each of these stages 34, synthesis gas passes through holes in horizontal perforated baffles 32, after which it contacts with granular blast-furnace slag 33, which has basic properties [Building materials. Directory. Ed. Boldyreva A.S. and others - M .: Stroyizd., 1989, p. 423; Domokeev A.K. Building materials. - M .: Higher. school, 1989, p. 163], which allows to sorb on the surface and in the pores of its granules substances with acidic properties, which include carbon monoxide - CO [Chemist's Handbook, vol. - M. - L .: Chemistry, 1968, p. 484]. As a result of repeated contact with granular blast-furnace slag 33, which sorbs COand other acidic components, at the outlet of the last stage 34, the gas is practically pure hydrogen, which enters the hydrogen collector through the branch pipe 30 (not shown in Figs. 1, 2).

При этом соотношение СО и H₂ в синтез-газе зависит от типа катализатора, температуры и давления в реакционных трубах 20. Количество конвертеров 17 и, соответственно, производительность по синтез-газу зависит от мощности парогенератора 1 и производительности зоны обработки и классификатора (на фиг. 1, 2 не показаны). In this case, the ratio of CO and H ₂ in the synthesis gas depends on the type of catalyst, temperature and pressure in the reaction tubes 20. The number of converters 17 and, accordingly, the productivity of synthesis gas depends on the power of the steam generator 1 and the productivity of the treatment zone and classifier (in Fig. 1, 2 are not shown).

При падении активности катализатора 23 его регенерируют, для чего конвертор I отключают от питательного 13 и продуктового 26 трубопроводов и включают в работу конвертор II аналогично вышеописанному, а в конвертор I через входной регенеративный трубопровод 15 в реакционные трубы 20 подают метан или водород, который после использования через выходной регенеративный трубопровод 22 подается в топку парогенератора (на фиг. 1, 2 не показана) на сжигание. When the activity of the catalyst 23 drops, it is regenerated, for which the converter I is disconnected from the feed 13 and the product 26 pipelines and the converter II is turned on in the same way as described above, and methane or hydrogen is fed into the converter I through the inlet regenerative pipeline 15 into the reaction tubes 20, which after use through the outlet regenerative pipeline 22 is fed into the furnace of the steam generator (not shown in Figs. 1, 2) for combustion.

Параллельно при насыщении адсорбента - гранулированного доменного шлака 33 в адсорбере 27 оксидом углерода производится его отсасывание из пор шлака 33 путем создания разрежения в полости адсорбера 27, которое осуществляется при перекрытии всех материальных потоков в адсорбер 27 и соединении его конических патрубков 31 с всасывающим патрубком 37 при открытом ЗРУ 38 с приемной камерой эжектора 36, в сопло 39 которого подается топливный газ с давлением Р_г1, которое выше давления газа в горелке Р_гн. При этом, происходит отдувка из полости адсорбера 27 через патрубки 31 (коническая форма патрубков 31 принята для снижения сопротивления), трубопроводы 35 и патрубок 37 газовой фазы, создается разрежение, происходит десорбция из гранул доменного шлака 33 значительной части адсорбированных молекул оксида углерода, который смешивается в эжекторе 36 с топливным газом и полученная газовая смесь подается на сжигание в горелки котла (на фиг. 1, 2 не показаны), а адсорбер 27 снова запускается в работу. Количество рабочих циклов и их продолжительность после отдувки определяются опытным путем. По достижении предельного числа циклов, которое определяется по увеличению проскока оксида углерода, адсорбент - гранулированный доменный шлак подвергают регенерации, которая осуществляется промывкой его водой, подаваемой и удаляемой через промывочные патрубки 29.Parallel to the saturation of the adsorbent - granular blast-furnace slag 33 in the adsorber 27 with carbon monoxide, it is sucked out of the pores of the slag 33 by creating a vacuum in the cavity of the adsorber 27, which is carried out when all material flows into the adsorber 27 are blocked and its conical nozzles 31 are connected to the suction nozzle 37 at open switchgear 38 with a receiving chamber of the ejector 36, into the nozzle 39 of which fuel gas is supplied with a pressure P _g1 , which is higher than the gas pressure in the burner P _gn . In this case, a blowout occurs from the cavity of the adsorber 27 through the nozzles 31 (the conical shape of the nozzles 31 is adopted to reduce the resistance), the pipelines 35 and the gas phase nozzle 37, a vacuum is created, a significant part of the adsorbed carbon monoxide molecules is desorbed from the granules of blast-furnace slag 33, which is mixed in the ejector 36 with fuel gas and the resulting gas mixture is fed for combustion to the boiler burners (not shown in Figs. 1, 2), and the adsorber 27 is started up again. The number of working cycles and their duration after blowing off are determined empirically. Upon reaching the limiting number of cycles, which is determined by an increase in the breakthrough of carbon monoxide, the adsorbent - granular blast furnace slag is subjected to regeneration, which is carried out by washing it with water supplied and removed through the flushing pipes 29.

Диаметр адсорбера 27, число ступеней очистки 34, высота слоя гранулированного доменного шлака на горизонтальной перфорированной перегородке 32, расстояние между ними, площадь живого сечения, (диаметр отверстий перфорации перегородок 32 принимают меньше величины среднего диаметра гранул доменного шлака 33) определяют опытным путем. The diameter of the adsorber 27, the number of purification stages 34, the height of the granular blast-furnace slag layer on the horizontal perforated partition 32, the distance between them, the area of the open section (the diameter of the perforation holes of the partitions 32 is taken to be less than the average diameter of the blast-furnace slag granules 33) are determined empirically.

Таким образом, предлагаемый тепловодородный генератор, в основу работы которого положен процесс каталитической конверсии углеводородов (парового и углекислотного риформинга) и возможность использования в качестве адсорбента оксида углерода гранулированного доменного шлака, позволяет одновременно вырабатывать тепло в виде водяного пара, синтез-газ, химические продукты на его основе, водород и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, что увеличивает его экономическую и экологическую эффективность.Thus, the proposed thermal hydrogen generator, which is based on the process of catalytic conversion of hydrocarbons (steam and carbon dioxide reforming) and the possibility of using granular blast furnace slag as an adsorbent of carbon monoxide, allows you to simultaneously generate heat in the form of water vapor, synthesis gas, chemical products for its basis, hydrogen and reduce emissions of harmful substances into the atmosphere, which increases its economic and environmental efficiency.

Claims

A thermal-hydrogen generator containing a steam generator equipped with a superheater and a convective shaft with tail surfaces, a flue gas treatment zone and a classifier for separating purified flue gases, a reaction mixture preparation unit, which is a two-stage ejector, consisting of I- 1st and 2nd stages connected by pipelines with a carbon dioxide outlet of the classifier, a gas pipeline, a superheater, a distributor pipe, which, in turn, through feed pipelines with inlet regenerative pipelines is connected to two identical converters located inside the steam generator between the superheater and tail surfaces , each of which consists of an upper collector and a lower collector, which are interconnected by vertical reaction tubes, in each of which a turbulization zone and a conversion zone covered with a catalyst bed are arranged, the lower collector is equipped with an outlet pipeline divided into regenerative and product pipelines, characterized in that the product pipelines are connected through a heat exchanger to a hydrogen evolution unit, consisting of several adsorbers, each of which is a vertical cylindrical column equipped with a synthesis gas inlet pipe connected from the bottom with product pipelines, flushing water nozzles, a hydrogen outlet located in the lid, and conical suction nozzles located in the side of the adsorber column, inside of which horizontal perforated partitions with a layer of granular blast furnace slag are located between the conical nozzles, forming purification stages, and the conical nozzles are connected by pipelines with the receiving chamber of the fuel ejector through the suction pipe, the nozzle of the above-mentioned ejector is connected to the fuel pipeline, and its diffuser is connected to the burner of the steam generator.