RU2807901C1 - Способ обогащения природного газа водородом и установка для его осуществления - Google Patents
Способ обогащения природного газа водородом и установка для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807901C1 RU2807901C1 RU2023108862A RU2023108862A RU2807901C1 RU 2807901 C1 RU2807901 C1 RU 2807901C1 RU 2023108862 A RU2023108862 A RU 2023108862A RU 2023108862 A RU2023108862 A RU 2023108862A RU 2807901 C1 RU2807901 C1 RU 2807901C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- natural gas
- hydrogen
- carbon
- gas
- mixture
- Prior art date
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 216
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 title claims abstract description 88
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 80
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 60
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims description 9
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 title 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 77
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 50
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 45
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 26
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000007800 oxidant agent Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000013049 sediment Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000004071 soot Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000005345 coagulation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000015271 coagulation Effects 0.000 claims abstract description 8
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 8
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 3
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 12
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 12
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitric oxide Chemical compound O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 claims description 10
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 9
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 9
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 claims description 9
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 8
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 7
- 239000008213 purified water Substances 0.000 claims description 7
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 4
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 4
- 238000000746 purification Methods 0.000 claims description 4
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 3
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims description 2
- 239000010802 sludge Substances 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 16
- 239000000446 fuel Substances 0.000 abstract description 12
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 11
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 abstract description 5
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 11
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 4
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 3
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011449 brick Substances 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 2
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 description 2
- 101150076749 C10L gene Proteins 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 1
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 1
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000004157 plasmatron Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к технологии производства водородосодержащих газов и может быть использовано в теплоэнергетике, использующей природный газ (ПГ) в качестве бездымного топлива и выделенный углерод в химической и металлургической промышленности. Раскрывается способ обогащения природного газа водородом. Способ включает пиролиз природного газа с разделением на водородную и углеродную составляющие, закалку газов с утилизацией тепла. Углеродную составляющую газа осаждают и удаляют, а водородную составляющую смешивают с неразложившейся частью природного газа. При этом поступающий поток природного газа делят на две части в заданном соотношении. Одну часть подвергают пиролизу при температуре 1300-1500 °С в течение 0,01-0,05 с путём смешения её с продуктами сгорания метано-водородной смеси с окислителем в стехиометрическом соотношении струйчатой подачей с температурой 1600 °С в поток природного газа. Поток нагревается конвективным теплообменом и излучением тепла от стенки продолговатой полости тигля, нагретой сжиганием метано-водородной смеси. Турбулентность течения газовой смеси интенсифицирует расщепление природного газа на водородную и углеродную составляющие. Осуществляют коалесценцию углерода из углеродной составляющей. Затем проводят закалку газов впрыскиванием холодной воды с коагуляцией углерода в хлопьевидный осадок, который под воздействием гравитационных сил оседает в зоне сажеулавливания реактора, из которой удаляют тепло с паром и нагретой водой. Смесь водородной составляющей с неразложившимся остатком природного газа образуют водородосодержащую смесь, которую дополнительно охлаждают путём смешения с другой частью природного газа, получая обогащённый водородом природный газ, который затем очищают от взвешенных примесей и направляют по назначению. Также раскрывается установка для обогащения природного газа водородом. Техническим результатом изобретения является повышение экологичности сжигания природного газа путём уменьшения концентрации диоксида углерода СО2 в дымовых газах котлов, промышленных печей, работающих на природном газе, и упрощение конструкции устройства обогащения природного газа водородом. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Изобретение относится к технологии производства водородосодержащих газов и может быть использовано в теплоэнергетике, использующей природный газ (ПГ) в качестве бездымного топлива и выделенный углерод в химической и металлургической промышленности, а также к сжижению для моторного топлива.
Известен способ производства топлива, обогащённого водородом, характеризующийся наличием потока метанового газа, использованием катализатора, нагреванием катализатора с помощью микроволнового излучения, подачей метанового газа на катализатор и контролем потока метанового газа и мощности микроволнового излучения. (Патент RU 2423176 C2. Способ получения обогащённого водородом топлива посредством разложения метана на катализаторе при микроволновом воздействии. - МПК: B01J 19/08, B01J 8/06, C10L 3/06. - Опубл. 10.07.2011).
Известен способ получения водородсодержащего газа, включающий подачу парометановой смеси в межтрубное пространство коаксиального смесителя, установленного на верхнем корпусе реактора, подвод паровоздушной смеси в центральную трубу, а также подвод зажигания в камеру окисления метана верхнего корпуса реактора, в которой осуществляется реакция горения метана над верхним подслоем катализатора, причем образующийся в результате реакции поток реагентов поступает на смешение с дополнительным объемом метана, происходящее в свободном пространстве между верхним корпусом реактора и нижним корпусом реактора, при этом подвод метана выполняют с поддержанием содержания метана перед нижним слоем катализатора в диапазоне от 0,1 до 0,25 от объемного содержания водяного пара, смешанный поток реагентов и метана поступает в нижний подслой катализатора конверсии метана нижнего корпуса реактора, посредством которого осуществляется проведение дополнительной реакции конверсии метана за счет физического тепла газовой смеси потока реагентов и из которого осуществляется вывод продукционного газа через выпускной патрубок.
Известен аппарат для получения водородсодержащего газа, содержащий верхний корпус реактора с камерой окисления, нижний корпус реактора с камерой смешения, сообщающиеся через соединительную камеру, покрытые футеровкой на внутренних стенках, коаксиальный смеситель и центральную трубу, образующие межтрубное пространство коаксиального смесителя, канал подачи парометановой смеси, направляемой в межтрубное пространство коаксиального смесителя, канал подачи паровоздушной смеси, направляемой в центральную трубу, подвод зажигания к свече зажигания, размещенной на нижнем срезе центральной трубы, выходящей во внутреннее пространство верхнего корпуса, канал подачи метана в нижнем корпусе, выпускной патрубок внизу нижнего корпуса, соединенный с выводом продукционного газа, корпус каждого реактора включает в себя последовательно расположенные защитные шары, подслой катализатора, свод огнеупорных кирпичей, опирающиеся через опорные шары на опорную решетку, причем катализатор опирается на свод из огнеупорных кирпичей, имеющих отверстия для прохода газа, которые перекрываются корундовыми шарами, предохраняющими от просыпания катализатора и уменьшающими сопротивление для прохода газа через свод. (Патент RU 2 674 971 С1. Аппарат и способ получения водородсодержащего газа. - МПК: C01B 3/50. - Опубл. 13.12.2018).
Известно устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа, включающее проточный реактор, содержащий продолговатую цилиндрическую камеру из кварцевого стекла, заполненную газопроницаемым электропроводящим веществом-инициатором, выбранным из группы: железо, никель, молибден, никелид титана, снабженный концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля, изготовленным из отрезков вольфрамовой микропроволоки, раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода, и помещенный в сверхвысокочастотный волновод, соединенный элементами связи с источником энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Камера реактора размещена в цилиндрическом сверхвысокочастотном волноводе вдоль его оси. Концентратор отделен от камеры нерадиопрозрачной газопроницаемой перегородкой, выполненной в виде металлической сетки из нержавеющей проволоки. Источник энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля выполнен в виде двух несвязанных между собой генераторов сверхвысокочастотного электромагнитного излучения, один из которых соединен с волноводом элементами связи, выполненными в виде коаксиально-волноводного перехода пуговичного типа, а другой генератор - с концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля. Выход газа выполнен в нижней части сверхвысокочастотного волновода вблизи металлической сетки из нержавеющей проволоки, а между стенками камеры и сверхвысокочастотного волновода выполнен зазор для прохождения углеводородного газа из входа газа в верхней части камеры реактора. (Патент RU 2390493 C1. Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа. - МПК: С01В 3/02, С01В 3/26, B82B 3/00. - Опубл. 27.05.2010).
Известно устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа, содержащее источник СВЧ-излучения, соединенный с проточным реактором, включающим плазмотрон с разрядной камерой, ввод природного газа, блоки вывода метано-водородной смеси и углерода из реактора, блок очистки метано-водородной смеси от углерода, блок регулирования расхода газа, блок управления мощностью СВЧ-излучения, блок регулирования концентрации водорода в метано-водородной смеси, выполненный в виде газоанализатора и управляемого сопла, установленного в стенке разрядной камеры, и автоматизированная система управления, соединенная с блоками регулирования расхода газа, управления мощностью СВЧ-излучения и концентрации водорода в метано-водородной смеси. (Патент RU 2755267 С1. Устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа. - МПК: B01J 19/24, C01B 3/50. - Опубл. 14.09.2021).
Известен способ переработки природного газа, заключающийся в том, что природный газ подвергают паровому риформингу при повышенных температуре и давлении с образованием влажного конвертированного газа с температурой 860-830°С и давлением 20-30 атм, затем полученный влажный конвертированный газ подвергают охлаждению до температуры 360-450°С и разделяют на два потока газа, первый из которых направляют последовательно на стадию конверсии оксида углерода, стадию охлаждения и стадию короткоцикловой адсорбции с выделением целевого водорода и газовой фазы, направляемой на паровой риформинг в качестве топлива, а второй поток газа после охлаждения до температуры 30-40°С и выделения влаги направляют либо на стадию получения метанола, либо на стадию получения синтетических жидких углеводородов, причем в случае получения метанола второй поток газа предварительно подвергают компрессии до 50,0-90 атм., при этом первый поток газа перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом процесса получения метанола с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа не менее 0,6, а в случае получения синтетических жидких углеводородов второй поток газа подвергают синтезу Фишера-Тропша на кобальтовом катализаторе, при этом первый поток газа перед направлением на стадию конверсии оксида углерода смешивают с отбросным газом синтеза Фишера-Тропша с обеспечением объемного соотношения в образованной смеси водяного пара и газа не менее 0,6, причем разделение исходного потока конвертированного газа на два потока газа производят в объемном соотношении первый поток газа ко второму потоку газа в случае получения метанола 1:0,33-0,43, а в случае получения синтетических жидких углеводородов 1:0,21 для исключения образования твердого углерода в процессе конверсии оксида углерода. (Патент RU 2783827 C1. Способ переработки природного газа. - МПК: С01В 3/38, С01В 3/24, С07С 31/40, С07С 1/02. - Опубл. 18.11.2022).
Известен способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара, который осуществляют в три этапа: на первом этапе перегретый пар высокого давления смешивают с природным газом при 2,5-3 МПа, при весовом соотношении пара и природного газа 7:1, полученную парометановую смесь нагревают до температуры 500-550°С теплом уходящих газов газовой турбины, подают в адиабатический каталитический реактор, производят паровую каталитическую конверсию метана в никелевом катализаторе, с образованием в каталитическом реакторе парометаново-водородной смеси, содержащей до 5% доли водорода; на втором этапе эту смесь и закрученный поток сжатого воздуха подают в форкамеру, в горелку подают топливный природный газ, полученную «богатую» топливно-воздушную смесь сжигают при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7, повышая температуру продуктов сгорания до 1300-1350°С и увеличивая долю водорода до 15-20% вследствие высокотемпературной паровой конверсии метана; на третьем этапе в камере дожигания сжигают «бедную» топливно-воздушную смесь при коэффициенте избытка воздуха 1,5-2,5 и повышают долю водорода в продуктах сгорания выше 20%, в ее продукты сгорания подают разбавляющий сжатый воздух и снижают до требуемой температуру газа перед газовой турбиной.
Устройство для реализации данного способа содержит камеру сгорания, адиабатический каталитический реактор, газопровод топливного газа, трубопровод парометановой смеси. Камера сгорания снабжена форкамерой и камерой дожигания, устройство управления, поворотные лопатки, полые завихривающие лопатки с отверстиями, регулирующий клапан. Поворотные лопатки и регулирующий клапан связаны импульсными линиями с устройством управления. Поворотные лопатки и полые завихривающие лопатки с отверстиями установлены перед форкамерой, в которой установлены горелка и импульсная свеча зажигания. Форкамера снабжена охлаждающей рубашкой, содержащей адиабатический каталитический реактор с никелевым катализатором. Форкамера и камера дожигания установлены соосно с воздушным зазором между ними. Вход камеры сгорания связан с компрессором, выход камеры сгорания соединен с газовой турбиной. Вход охлаждающей рубашки форкамеры соединен с трубопроводом парометановой смеси, а ее выход с входом в форкамеру. Газопровод топливного газа связан с горелкой через регулирующий клапан. (Патент RU 2740755 C1. Способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара и устройство для его осуществления. - МПК: С01В 3/02, С01В 3/32, С01В 3/38, B01J 7/00. - Опубл. 20.01.2021).
Недостатком известных технических решений является высокие затраты на получение водородсодержащего энергоносителя из природного газа и сложность конструкции устройства для его получения.
Основной задачей предлагаемого технического решения является получение более экологичного водородосодержащего газа, уменьшающее эмиссию углекислого газа при его сжигании, выбрасываемого в атмосферу, путём получения водорода из природного газа для обогащения им газового топлива, и упрощение конструкции аппаратного обеспечения технологии его получения.
Технический результат - повышение экологичности сжигания природного газа путём уменьшения концентрации диоксида углерода СО2 в дымовых газах котлов, промышленных печей, работающих на природном газе, и упрощение конструкции устройства обогащения природного газа водородом.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе обогащения природного газа водородом, включающий пиролиз природного газа с разделением на водородную и углеродную составляющие, закалку газов с утилизацией тепла, осаждение и удаление углеродной составляющей газа, а водородную составляющую смешивают с неразложившейся частью природного газа, согласно предложенному техническому решению,
поступающий поток природного газа делят на две части в заданном соотношении, одну из которых подвергают пиролизу при температуре 1300…1500°С в течение 0,01…0,05 с. путём смешения её с продуктами сгорания природного газа с окислителем в стехиометрическом соотношении струйчатой подачей с температурой 1600°С в поток природного газа, нагреваемого конвективным теплообменом и излучением тепла от стенки продолговатой полости тигля, нагретой сжиганием природного газа с окислителем, вызывающей турбулентность течения газовой смеси, интенсифицирующая расщепление природного газа на водородную и углеродную составляющие, которые подают на коалесценцию углерода из углеродной составляющей с одновременной струйчатой подачей химически очищенной воды, создающие с периодической частотой пульсирующие завихрения газовой смеси, вызывающие акустические волны, интенсифицирующие процесс коалесценции углерода, затем осуществляют закалку газов впрыскиванием холодной воды с коагуляцией углерода в хлопьевидный осадок, который под воздействием гравитационных сил оседает в зоне сажеулавливания реактора, из которой удаляют тепло с нагретой водой, а смесь водородной составляющей с неразложившимся остатком природного газа образуют водородосодержащую смесь, которую дополнительно охлаждают путём смешения с другой частью природного газа, получая обогащённый водородом природный газ, который затем очищают от взвешенных примесей и направляют по назначению;
в качестве окислителя используют оксид азота;
хлопьевидный осадок углерода дополнительно гранулируют и направляют потребителю.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной установке для осуществления способа обогащения природного газа водородом, содержащей адиабатический каталитический реактор пиролиза углеводородного сырья, на корпусе которого помещён сообщающийся с ним тигель, снабжённый крышкой с опущенным через неё концом керамической трубки для подачи части углеводородного сырья, согласно предложенному техническому решению,
полость адиабатического каталитического реактора, сообщающаяся с выходом из полости тигля, выполнена с диаметром, большим внутреннего диаметра полости тигля, корпус которого снабжён: форсункой струйчатой подачи химически очищенной воды в зону коалесценции углерода, форсункой впрыскивания холодной воды в закалочную зону газов с коагуляцией углерода в хлопьевидный осадок, патрубком отвода тепла с горячей водой из зоны сажеулавливания, и приёмник с жалюзи приёма и удаления хлопьевидного осадка, при этом через стенку корпуса реактора проведена коленообразная труба для отвода образовавшейся водородосодержащей смеси с неразложившимся остатком природного газа из зоны сажеулавливания в смеситель газа для охлаждения и смешения с остальной частью исходного природного газа, последовательно соединённым трубопроводами с циклоном и фильтром тонкой очистки газа от примесей;
тигель выполнен прямоточным из пористого огнеупорного материала, закреплённого термостойкой сеткой, расположенных между корпусом и со стенкой пиролизной полости тигля, с образованием между корпусом и термостойкой сеткой кольцевой полости для сжигания природного газа с окислителем с возможностью протекания пламени вдоль кольцевой полости и нагрева стенки пиролизной полости тигля, выполненной в виде продолговатого цилиндра с радиальными каналами для струйчатой подачи продуктов сгорания природного газа с окислителем в пиролизную полость путём перетекания из кольцевой полости через термостойкую сетку и поры огнеупорного материала;
в качестве пористого огнеупорного материала используется пенодинас или пеношамот.
Заявляемый способ обогащения природного газа водородом и установка для его осуществления могут быть использованы в теплоэнергетике, использующей природный газ в качестве топлива, с меньшим выбросом диоксида углерода CO2 в окружающую среду, а также в химической и металлургической промышленности, в том числе при подготовке газа к сжижению в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Следовательно, заявляемые технические решения соответствуют условию патентоспособности «промышленная применимость».
На фиг. 1 показана схема установки для обогащения природного газа водородом.
Сущность способа обогащения природного газа (ПГ) водородом заключается в переработке одной части природного газа в водородосодержащую смесь с последующим смешением её с другой частью природного газа. Для этого в продолговатую полость тигля вводят определённую часть ПГ и подвергают пиролизу при температуре 1300…1500 °С в течение 0,01…0,05 с., полученной от конвективного теплообмена излучением тепла от нагретой стенки полости тигля от сжигания ПГ с окислителем в полости, охватывающих тигель, и струйчатой подачей горячих продуктов сгорания ПГ с окислителем, например, оксида азота N2O, с температурой 1600°С в стехиометрическом соотношении, вызывающей турбулентность течения газовой смеси, интенсифицирующая расщепление природного газа на водородную и углеродную составляющие, которые поступают на коалесценцию углерода С с одновременной струйчатой подачей химически очищенной воды, создающей с периодической частотой пульсирующие завихрения газовой смеси, вызывающие акустические волны, интенсифицирующие процесс коалесценции углерода с понижением температуры до 800°С, с выделением тепла J, СН4 → С + 2Н2 - J. Затем выполняют закалку углерода С при температуре 500…600°С в течение 0,2…1,0 с. посредством впрыскивания холодной воды, вызывающий коагуляцию углерода С с переходом его в хлопьевидный осадок, который оседает под воздействием гравитационных сил и дополнительно гранулируют и направляют в производство, а тепло J удаляют с паром и нагретой водой с меньшей теплоотдачей. Образовавшую водородосодержащую смесь дополнительно охлаждают до температуры не выше 250°С путём смешивания с остальной частью исходного ПГ в заданном объёмном соотношении от 25 до 75 % смеси в ПГ, увеличивая в ПГ долю водорода Н, который затем очищают от взвешенных примесей и направляют по назначению.
Установка для осуществления способа обогащения природного газа (ПГ) водородом содержит адиабатический каталитический реактор 1, на торце корпуса которого установлен сообщающийся с ним тигель 2, закрытый крышкой 3 с опущенным через неё концом керамической трубки 4 для подачи части ПГ в пиролизную полость 5 тигля 2. (Фиг. 1). Пиролизная полость 5 выполнена в виде продолговатого цилиндра с радиальными каналами 6 в стенке 7 для струйчатой подачи продуктов сгорания ПГ с окислителем в поток части ПГ, протекающий вдоль прямоточной пиролизной полости 5. Тигель 2 выполнен из пористого огнеупорного материала 8, например, пенодинаса или пеношамота с огнеупорностью 1680 - 1700°С, закреплённого термостойкой сеткой 9, расположенных между корпусом 10 и стенкой 7 пиролизной полости 5 тигля 2, с образованием между корпусом 10 и термостойкой сеткой 9 кольцевой полости 11 для сжигания ПГ с окислителем с возможностью протекания пламени вдоль кольцевой полости 11 и нагрева стенки 7 пиролизной полости 5 тигля 2, путём перетекания из кольцевой полости 11 через термостойкую сетку 9 и поры огнеупорного материала 8. Корпус 10 тигля 2 снабжён патрубком 12 для подачи ПГ с окислителем в кольцевую полость 11. Пиролизная полость 5 тигля 2 сообщается с полостью реактора 1, выполненным с диаметром, большим диаметра полости 5 тигля 2. Площадь поперечного сечения полости реактора 1 в 3 и более раза больше, чем площадь внутреннего сечения полости 5 тигля 2. В верхней части полости реактора 1 расположена зона 13 коалесценции углерода С из природного газа с форсункой 14 струйчатой подачи химически очищенной воды. Зона 13 коалесценции углерода сообщается с зоной 15 закалки газов пиролиза и коагуляции углерода С в хлопьевидный осадок, снабжённой форсункой 16 впрыскивания охлаждаемой воды, которая, в свою очередь, сообщается с зоной сажеулавливания 17, выполненную с патрубком 18 отвода тепла нагретой водой. В основании полости реактора 1 выполнен накопитель 19 с жалюзи 20 приёма и удаления хлопьевидного осадка углерода С на гранулирование для производства, например, резины. В стенке реактора 1 на уровне зоны сажеулавливания 17 установлена коленообразная труба 21 для отвода водородной составляющей части с неразложившимся остатком ПГ для охлаждения остальной частью потока ПГ в смесителе 22, соединённым трубопроводом 23 с циклоном 24, соединённым трубопроводом 25 с фильтром 26 тонкой очистки газа от примесей, последний соединён с трубопроводом 27 подачи обогащённого водородом ПГ потребителям. Циклон 24 снабжён шибером 28.
Установка для осуществления способа обогащения природного газа водородом работает следующим образом.
В кольцевую полость 11 тигля 2 по патрубку 13 подаётся природный газ (ПГ) с оксидом азота N2O, в качестве окислителя, в стехиометрическом соотношении, которую воспламеняют и пламя горения ПГ с окислителем продвигаясь вниз по кольцевой полости 11 продуктами сгорания ПГ и окислителя перетекают через термостойкую сетку 9, поры огнеупорного материала 8 и радиальные каналы 6 в стенке 7 струйчатым потоком перетекают в зону пиролиза природного газа в полости 5 тигля 2 с температурой до 1600°С. При этом по керамической трубке 4 через крышку 3 в полость 5 тигля 2 подают определённую часть потока ПГ, которая протекая через продолговатую полость 5 тигля 2 в течение 0,01…0,05 с. нагревается до температуры 1500°С за счет теплоты излучения, конвективного теплообмена и струйчатого потока горячих продуктов сгорания ПГ и окислителя с температурой 1600°С, вызывающей турбулентность течения газовой смеси, интенсифицирующая процесс пиролиза ПГ с расщеплением его на водородную и углеродную составляющие. Из полости 5 тигля 2 водородная и углеродная составляющие протекают в зону 13 в верхней части полости реактора 1 на коалесценцию углерода, в которую с помощью форсунки 14 одновременно подают химически очищенную воду, создающей с периодической частотой пульсирующие завихрения газовой смеси, вызывающие акустические волны, интенсифицирующие процесс коалесценции углерода с понижением температуры до 800 °С и выделением тепла J, СН4 → С + 2Н2 - J. Затем водородная и углеродная составляющие протекают в зону 15 на закалку углерода С при температуре 500…600°С в течение 0,2…1,0 с. с помощью впрыскивания холодной воды форсункой 16, вызывающий коагуляцию углерода С с меньшей теплоотдачей и переходом его в хлопьевидный осадок, который из зоны 17 сажеулавливания под воздействием гравитационных сил оседает в накопителе 19 и через жалюзи 20 периодически направляют на гранулирование для использования в химической и металлургической промышленности для производства, например, резины, а по патрубку 18 из реактора 1 удаляют тепло J с нагретой водой. Образовавшую водородосодержащую смесь из зоны 17 сажеулавливания по коленообразной трубе 21 отводят в смеситель 22 для охлаждения до температуры не выше 250°С путём смешивания с остальной частью исходного ПГ в заданном объёмном соотношении от 25 до 75 % смеси в ПГ, увеличивая в ПГ долю водорода Н. Из смесителя 22 обогащённый ПГ направляют по трубопроводу 23 в циклон 24 для понижения температуры газа до 30--40°С и удаления из обогащённого ПГ дисперсных частиц, которые удаляют из циклона 24 через шибер 28. Затем обогащённый водородом ПГ по трубопроводу 25 отводят в фильтр 26 для тонкой очистки газа от взвешенных примесей, из которого с температурой 20-30°С по трубопроводу 27 направляют по назначению в зависимости от содержания водорода Н в ПГ.
Предложенные способ обогащения природного газа водородом и установка для его осуществления эффективно используются в промышленности с целью уменьшения выброса диоксида углерода СО2 в атмосферу, а также для подготовки природного газа к сжижению в качестве бездымного моторного топлива.
Claims (6)
1. Способ обогащения природного газа водородом, включающий пиролиз природного газа с разделением на водородную и углеродную составляющие, закалку газов с утилизацией тепла, осаждение и удаление углеродной составляющей газа, а водородную составляющую смешивают с неразложившейся частью природного газа, отличающийся тем, что поступающий поток природного газа делят на две части в заданном соотношении, одну из которых подвергают пиролизу при температуре 1300…1500 °С в течение 0,01…0,05 с путём смешения её с продуктами сгорания метано-водородной смеси с окислителем в стехиометрическом соотношении струйчатой подачей с температурой 1600 °С в поток природного газа, нагреваемого конвективным теплообменом и излучением тепла от стенки продолговатой полости тигля, нагретой сжиганием метано-водородной смеси, вызывающей турбулентность течения газовой смеси, интенсифицирующую расщепление природного газа на водородную и углеродную составляющие, которые подают на коалесценцию углерода из углеродной составляющей с одновременной струйчатой подачей химически очищенной воды, создающие с периодической частотой пульсирующие завихрения газовой смеси, вызывающие акустические волны, интенсифицирующие процесс коалесценции углерода, затем осуществляют закалку газов впрыскиванием холодной воды с коагуляцией углерода в хлопьевидный осадок, который под воздействием гравитационных сил оседает в зоне сажеулавливания реактора, из которой удаляют тепло с паром и нагретой водой, а смесь водородной составляющей с неразложившимся остатком природного газа образуют водородосодержащую смесь, которую дополнительно охлаждают путём смешения с другой частью природного газа, получая обогащённый водородом природный газ, который затем очищают от взвешенных примесей и направляют по назначению.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют оксид азота.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хлопьевидный осадок углерода дополнительно гранулируют и направляют потребителю.
4. Установка для обогащения природного газа водородом, используемая в способе по п. 1, содержащая адиабатический каталитический реактор, на корпусе которого помещён сообщающийся с ним тигель, снабжённый крышкой и опущенным через неё концом керамической трубки для подачи части углеводородного сырья, отличающаяся тем, что полость адиабатического каталитического реактора, сообщающаяся с выходом из полости тигля, выполнена с диаметром, большим внутреннего диаметра полости тигля, корпус которого снабжён: форсункой струйчатой подачи химически очищенной воды в зону коалесценции углерода, форсункой впрыскивания холодной воды в закалочную зону газов с коагуляцией углерода в хлопьевидный осадок, патрубком отвода тепла с горячей водой из зоны сажеулавливания, и приёмник с жалюзи приёма и удаления хлопьевидного осадка, при этом через стенку корпуса реактора проведена коленообразная труба для отвода образовавшейся водородосодержащей смеси с неразложившимся остатком природного газа из зоны сажеулавливания в смеситель газа для охлаждения и смешения с остальной частью исходного природного газа, последовательно соединённым трубопроводами с циклоном и фильтром тонкой очистки газа от примесей.
5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что тигель выполнен прямоточным из пористого огнеупорного материала, закреплённого термостойкой сеткой, расположенной между корпусом и со стенкой пиролизной полости тигля, с образованием между корпусом и термостойкой сеткой кольцевой полости для сжигания природного газа с окислителем с возможностью протекания пламени вдоль кольцевой полости и нагрева стенки пиролизной полости тигля, выполненной в виде продолговатого цилиндра с радиальными каналами для струйчатой подачи продуктов сгорания природного газа с окислителем в пиролизную полость путём перетекания из кольцевой полости через термостойкую сетку и поры огнеупорного материала.
6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что в качестве пористого огнеупорного материала используется пенодинас или пеношамот.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2807901C1 true RU2807901C1 (ru) | 2023-11-21 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2390493C1 (ru) * | 2008-11-10 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа |
| WO2010127961A1 (en) * | 2009-05-07 | 2010-11-11 | Rolls-Royce Plc | System and method for producing heat and/or power |
| US9493721B2 (en) * | 2002-02-05 | 2016-11-15 | The Regents Of The University Of California | Method to produce methane rich fuel gas from carbonaceous feedstocks using a steam hydrogasification reactor and a water gas shift reactor |
| RU2674971C1 (ru) * | 2017-12-07 | 2018-12-13 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Аппарат и способ получения водородсодержащего газа |
| RU2755267C1 (ru) * | 2020-04-28 | 2021-09-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") | Устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа |
| WO2022025487A1 (ko) * | 2020-07-30 | 2022-02-03 | 부산대학교 산학협력단 | 탄소 연료를 이용한 수소 또는 수소 합성 가스의 생산방법 및 이의 생산장치 |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9493721B2 (en) * | 2002-02-05 | 2016-11-15 | The Regents Of The University Of California | Method to produce methane rich fuel gas from carbonaceous feedstocks using a steam hydrogasification reactor and a water gas shift reactor |
| RU2390493C1 (ru) * | 2008-11-10 | 2010-05-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский политехнический университет | Устройство для получения углерода и водорода из углеводородного газа |
| WO2010127961A1 (en) * | 2009-05-07 | 2010-11-11 | Rolls-Royce Plc | System and method for producing heat and/or power |
| RU2674971C1 (ru) * | 2017-12-07 | 2018-12-13 | Публичное акционерное общество "Газпром" | Аппарат и способ получения водородсодержащего газа |
| RU2755267C1 (ru) * | 2020-04-28 | 2021-09-14 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Томск" (ООО "Газпром трансгаз Томск") | Устройство для получения метано-водородного топлива из углеводородного газа |
| WO2022025487A1 (ko) * | 2020-07-30 | 2022-02-03 | 부산대학교 산학협력단 | 탄소 연료를 이용한 수소 또는 수소 합성 가스의 생산방법 및 이의 생산장치 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2149312C1 (ru) | Усовершенствования в сжигании и утилизации топливных газов | |
| AU2019396135B2 (en) | Method and reactor for producing one or more products | |
| CA1137277A (en) | Process for producing furnace black | |
| KR920701627A (ko) | 기계적 에너지의 발생 방법 및 그 장치 | |
| UA79216C2 (en) | Method for preparation of motor fuel from coal | |
| RU2120913C1 (ru) | Способ получения синтез-газа | |
| NO326777B1 (no) | Fremgangsmate for fremstilling av faste karbonholdige materialer og hydrogenrike gasser | |
| NO303061B1 (no) | Anordning og fremgangsmÕte for fremstilling av syntesegass, samt anvendelse derav | |
| WO2009154512A2 (ru) | Способ получения синтез-газа и устройство для его осуществления | |
| RU2807901C1 (ru) | Способ обогащения природного газа водородом и установка для его осуществления | |
| KR20220085707A (ko) | 공급원료 가스 반응기를 사용하여 수소 및 질소를 제조하는 방법 | |
| RU185654U1 (ru) | Установка для получения и сжигания синтез-газа | |
| CN211925787U (zh) | 一种废气处理系统 | |
| CN108097188B (zh) | 等离子体裂解渣油与废气的气化装置 | |
| CN210885291U (zh) | 一种火电厂焦炭制氢系统 | |
| CN106829859A (zh) | 一种新型制氢装置及方法 | |
| RU2764686C1 (ru) | Устройство для получения водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и азота | |
| RU2733605C1 (ru) | Способ получения синтез-газа или водорода посредством неполного окисления горючего в циклическом многоретортном реакторе и реактор для его осуществления | |
| KR20210053536A (ko) | 과열증기 생성장치 | |
| RU2571149C1 (ru) | Реактор конверсии метана | |
| RU2757044C1 (ru) | Тепловодородный генератор | |
| RU2740755C1 (ru) | Способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара и устройство для его осуществления | |
| Serbin | Development of plasma-chemical combustion intensification systems for hydrocarbon fuels in marine power engineering | |
| Chun et al. | Development of Cavity Matrix Combustor for Biogas Application | |
| TR2024017447A2 (tr) | Sentez gazlarin yakilmasina yöneli̇k bi̇r düzenek ve yöntem |