RU2832837C1 - Cyclic carbon method - Google Patents
Cyclic carbon method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2832837C1 RU2832837C1 RU2022134322A RU2022134322A RU2832837C1 RU 2832837 C1 RU2832837 C1 RU 2832837C1 RU 2022134322 A RU2022134322 A RU 2022134322A RU 2022134322 A RU2022134322 A RU 2022134322A RU 2832837 C1 RU2832837 C1 RU 2832837C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon
- stage
- hydrogen
- methane
- carbon monoxide
- Prior art date
Links
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 140
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 137
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 109
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 title claims abstract description 31
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 127
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims abstract description 81
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 72
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 49
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 15
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims abstract description 8
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 81
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 claims description 30
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 26
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 22
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims description 18
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 16
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 14
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 10
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 9
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 8
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L hydroxy(oxo)manganese;manganese Chemical compound [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 5
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims description 4
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 claims description 4
- 239000005997 Calcium carbide Substances 0.000 claims description 3
- 239000000292 calcium oxide Substances 0.000 claims description 3
- ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Inorganic materials [Ca]=O ODINCKMPIJJUCX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 3
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N Trioxochromium Chemical compound O=[Cr](=O)=O WGLPBDUCMAPZCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N calcium oxide Chemical compound [O-2].[Ca+2] BRPQOXSCLDDYGP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 claims description 2
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 claims description 2
- 229910000423 chromium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- CLZWAWBPWVRRGI-UHFFFAOYSA-N tert-butyl 2-[2-[2-[2-[bis[2-[(2-methylpropan-2-yl)oxy]-2-oxoethyl]amino]-5-bromophenoxy]ethoxy]-4-methyl-n-[2-[(2-methylpropan-2-yl)oxy]-2-oxoethyl]anilino]acetate Chemical compound CC1=CC=C(N(CC(=O)OC(C)(C)C)CC(=O)OC(C)(C)C)C(OCCOC=2C(=CC=C(Br)C=2)N(CC(=O)OC(C)(C)C)CC(=O)OC(C)(C)C)=C1 CLZWAWBPWVRRGI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 2
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims 6
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 102
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 51
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 36
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 14
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 11
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 11
- 239000000047 product Substances 0.000 description 11
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 9
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 8
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 7
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 6
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 6
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 5
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000004177 carbon cycle Methods 0.000 description 4
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 4
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 4
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 4
- 238000011946 reduction process Methods 0.000 description 4
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 3
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 3
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 3
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 3
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 2
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229940024548 aluminum oxide Drugs 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 2
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 2
- 239000011335 coal coke Substances 0.000 description 2
- 239000011280 coal tar Substances 0.000 description 2
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 2
- 238000004939 coking Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000012432 intermediate storage Methods 0.000 description 2
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 238000005201 scrubbing Methods 0.000 description 2
- 230000009919 sequestration Effects 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 2
- 238000001991 steam methane reforming Methods 0.000 description 2
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 Aluminum ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009626 Hall-Héroult process Methods 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005864 Sulphur Substances 0.000 description 1
- XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N Urea Chemical compound NC(N)=O XSQUKJJJFZCRTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 235000010216 calcium carbonate Nutrition 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004202 carbamide Substances 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 1
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 229910001610 cryolite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000012994 industrial processing Methods 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920002959 polymer blend Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 238000004230 steam cracking Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 150000003464 sulfur compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000011269 tar Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000010792 warming Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способу циклического углеродного процесса, включающему первую стадию, на которой водород и монооксид углерода подвергают взаимодействию с образованием метана и воды, вторую стадию, на которой метан разлагают на углерод и водород, и третью стадию, на которой углерод используют в качестве восстанавливающего агента и/или углерод используют в углеродсодержащем материале в качестве восстанавливающего агента в химическом процессе для получения монооксида углерода и восстановленного вещества и, при необходимости, четвертую стадию, на которой получают водород, причем метан, полученный на первой стадии, используют на второй стадии, а углерод, полученный на второй стадии, используют на третьей стадии, а монооксид углерода, полученный на третьей стадии, используют на первой стадии. Кроме того, настоящее изобретение относится к комбинированной установке для циклического углеродного процесса, включающей: установку, использующую углерод в качестве восстанавливающего агента в химическом реакторе, включающую отделение и кондиционирование СО ниже по потоку от химического реактора, установку по метанированию, производящую метан и воду, установку пиролиза ниже по потоку от установки метанирования, разлагающую метан на твердый углерод и водород.The present invention relates to a method of a cyclic carbon process comprising a first stage in which hydrogen and carbon monoxide are reacted to form methane and water, a second stage in which methane is decomposed into carbon and hydrogen, and a third stage in which carbon is used as a reducing agent and/or carbon is used in a carbon-containing material as a reducing agent in a chemical process for producing carbon monoxide and a reduced substance and, if necessary, a fourth stage in which hydrogen is produced, wherein the methane produced in the first stage is used in the second stage, and the carbon produced in the second stage is used in the third stage, and the carbon monoxide produced in the third stage is used in the first stage. Furthermore, the present invention relates to a combined unit for a cyclic carbon process, comprising: a unit using carbon as a reducing agent in a chemical reactor, including separation and conditioning of CO downstream of the chemical reactor, a methanation unit producing methane and water, a pyrolysis unit downstream of the methanation unit, decomposing methane into solid carbon and hydrogen.
Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере связано с текущим и будущим глобальным потеплением. Были предложены различные способы снижения концентрации диоксида углерода в атмосфере либо за счет сокращения выбросов диоксида углерода, либо за счет связывания диоксида углерода.The increase in atmospheric carbon dioxide concentrations is associated with current and future global warming. Various methods have been proposed to reduce atmospheric carbon dioxide concentrations, either by reducing carbon dioxide emissions or by sequestering carbon dioxide.
В настоящее время выбросы CO2 регулируются сертификатами CO2, например, в Евросоюзе, которые, скорее всего, будут дорожать год от года. Обсуждается возможность запрета выбросов CO2 в обозримом будущем.Currently, CO2 emissions are regulated by CO2 certificates, for example in the European Union, which are likely to become more expensive year after year. The possibility of banning CO2 emissions in the foreseeable future is being discussed.
В последние годы отрасли, в которых выбросы CO2 основаны на использовании углеродосодержащих материалов в качестве источника энергии, начали сокращать или даже полностью устранять выбросы CO2 с регулируемыми усилиями, т.е. через электрификацию и переход от нефти и природного газа к водороду. Ожидается, что потребность в водороде и возобновляемых источниках энергии будет быстро возрастать.In recent years, industries that rely on carbon-based materials for their energy sources to produce CO2 emissions have begun to reduce or even eliminate CO2 emissions through controlled efforts, i.e. through electrification and the transition from oil and natural gas to hydrogen. The demand for hydrogen and renewable energy sources is expected to increase rapidly.
Однако углерод является типичным восстанавливающим агентом и используется во многих промышленных процессах, главным образом, но не исключительно, для металлов. Примерами (J. House: Inorganic Chemistry, 2013 г., Academic Internet Publishers, M. Bertau и соавт.: Industrielle Anorganische Chemie, 2013 r. Wiley-VCH) является производство:However, carbon is a typical reducing agent and is used in many industrial processes, mainly but not exclusively for metals. Examples (J. House: Inorganic Chemistry, 2013, Academic Internet Publishers, M. Bertau et al.: Industrielle Anorganische Chemie, 2013, Wiley-VCH) are the production of:
- Карбида кальция CaO+3С→СаС2+СО- Calcium carbide CaO+3C→CaC 2 +CO
- Карбида кремния SiO2+3С→SiC+2СО- Silicon carbide SiO2 +3C→SiC+2CO
- Кремния SiO2+2 С→Si+2СО- Silicon SiO 2 +2 C→Si+2CO
- олова SnO2+2С→Sn+2СО- tin SnO 2 +2С→Sn+2СО
- Хрома Cr2O3+3С→2Cr+3СО- Chromium Cr 2 O 3 +3С→2Cr+3СО
- Оксида марганца MnO2+С→MnO+СО- Manganese oxide MnO 2 +С→MnO+СО
- Фосфора 2 Са3(PO4)2+6 SiO2+10С→Р4+10СО+6CaSiO3.- Phosphorus 2 Ca 3 (PO 4 ) 2 +6 SiO 2 +10С→Р 4 +10СО+6CaSiO 3 .
Монооксид углерода можно использовать в качестве исходного материала в чистом виде или в смеси с водородом в качестве синтез-газа для многих различных процессов в химической промышленности, но он часто используется в качестве источника энергии в процессах сжигания 2СО+O2→CO2 для производства электроэнергии и пара. Если СО окисляется, основным продуктом будет CO2. CO2 используется в качестве исходного материала только в очень немногих процессах, например, для производства карбамида, но в большинстве случаев выбрасывается в атмосферу.Carbon monoxide can be used as a feedstock in its pure form or mixed with hydrogen as a synthesis gas for many different processes in the chemical industry, but it is often used as an energy source in combustion processes 2CO+ O2 → CO2 to produce electricity and steam. If CO is oxidized, the main product is CO2 . CO2 is used as a feedstock in only a few processes, such as urea production, but is in most cases emitted to the atmosphere.
Промышленность, использующая углеродсодержащий материал в качестве восстанавливающего агента, как описано в примерах, не может остановить свои выбросы CO2 за счет электрификации, поскольку углерод необходим для производства целевого продукта. Эти отрасли нуждаются в альтернативном восстанавливающем агенте или альтернативных способах сокращения выбросов, таких как улавливание и утилизация углерода (CCU) или улавливание и хранение углерода (CCS), или утилизация биомассы и отходов.Industries using carbonaceous material as a reducing agent, as described in the examples, cannot stop their CO2 emissions through electrification, since carbon is needed to produce the target product. These industries need an alternative reducing agent or alternative ways to reduce emissions, such as carbon capture and utilization (CCU) or carbon capture and storage (CCS), or biomass and waste utilization.
Недавно в международной заявке WO 2020/016186 было раскрыто, что пиролитический углерод можно использовать в качестве смесевого материала в анодах алюминиевого производства на основе углерода для восстановления оксида алюминия до алюминия. Производство алюминия осуществляется в электролитических элементах или ваннах (известный как процесс Холла-Эру). Электролиз Al2O3 происходит в ванне расплавленного криолита, расположенного между угольными электродами и расплавленным металлом. Ионы алюминия в составе Al2O3 реагируют с угольным анодом, образуя восстановленный расплавленный алюминий и диоксид углерода. Углерод, используемый для анодов, обычно представляет собой нефтяной кокс в дополнение к переработанным остаткам анода и связующему веществу из каменноугольной смолы.Recently, international application WO 2020/016186 disclosed that pyrolytic carbon can be used as a blend material in carbon-based aluminum production anodes to reduce aluminum oxide to aluminum. Aluminum production is carried out in electrolytic cells or baths (known as the Hall-Héroult process). Electrolysis of Al 2 O 3 occurs in a bath of molten cryolite located between carbon electrodes and molten metal. Aluminum ions in the Al 2 O 3 react with the carbon anode to form reduced molten aluminum and carbon dioxide. The carbon used for the anodes is typically petroleum coke in addition to recycled anode residues and coal tar binder.
Хотя обсуждение климата и исследования по достижению нейтрального производства CO2 начались более 20 лет назад, до сих пор было раскрыто лишь несколько исследований альтернатив углеродным анодам. Например, в патенте США US 6551489 описан узел инертного анода, заменяющий расходуемый угольный анод.Although climate change discussions and research into achieving CO2 neutral production began over 20 years ago, only a few studies on alternatives to carbon anodes have been disclosed to date. For example, US Patent US 6,551,489 describes an inert anode assembly that replaces a sacrificial carbon anode.
В международной заявке WO 2018/099709 описывается цикл CO2, включающий следующие стадии (i) выделение CO2 из атмосферного воздуха или дымовых газов, (ii) преобразование CO2 и Н2 в углеводороды (CO2+4Н2→СН4+2H2O), (iii) крекинг данных углеводородов и (iv) использование углерода в металлургии в качестве вещества, вызывающего закоксовывание, восстанавливающего агента, наполнителя, пигмента и т.д. и выделение CO2 во время данных применений. Половина необходимого водорода для метанирования на стадии (ii) может быть получена за счет рециркуляции водорода из процесса крекинга на стадии (iii), другая половина может быть получена посредством электролиза воды с использованием электричества.International application WO 2018/099709 describes a CO 2 cycle comprising the following steps: (i) separation of CO 2 from atmospheric air or flue gases, (ii) conversion of CO 2 and H 2 into hydrocarbons (CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O), (iii) cracking of these hydrocarbons and (iv) use of carbon in metallurgy as a coking agent, reducing agent, filler, pigment, etc. and separation of CO 2 during these applications. Half of the hydrogen required for methanation in step (ii) can be obtained by recycling hydrogen from the cracking process in step (iii), the other half can be obtained by electrolysis of water using electricity.
Рециркуляция кислорода известна из обсуждения пилотируемых полетов на Марс.Oxygen recycling is known from discussions of manned missions to Mars.
В патентных документах US 5213770 и US 2018/319661 описан способ извлечения кислорода из выдыхаемого диоксида углерода, объединяющий следующие технологические стадии: (i) восстановление CO2 водородом до метана и воды (процесс Сабатье, метанирование), (ii) пиролиз метана до твердого углерода и водорода и (iii) электролиз воды для получения водорода и необходимого кислорода, причем водород технологической стадии (ii) и (iii) используют для стадии восстановления (i), а выдыхаемый диоксид углерода используют в качестве исходного материала на стадии (i).Patent documents US 5213770 and US 2018/319661 describe a method for extracting oxygen from exhaled carbon dioxide, combining the following process steps: (i) reduction of CO2 with hydrogen to methane and water (Sabatier process, methanation), (ii) pyrolysis of methane to solid carbon and hydrogen, and (iii) electrolysis of water to obtain hydrogen and the required oxygen, wherein the hydrogen of process steps (ii) and (iii) is used for the reduction step (i), and the exhaled carbon dioxide is used as the starting material in step (i).
Кроме того, в связи с вопросом связывания CO2 обсуждалось превращение диоксида углерода в твердый углерод. В патенте GB 2 449 234 описан способ связывания атмосферного диоксида углерода с помощью комбинированного процесса Сабатье и пиролиза метана аналогично патентным документам US 5 213 770 и US 2018/319661. Твердый углерод можно легко связывать по сравнению с улавливанием и связыванием CO2.In addition, in connection with the issue of CO2 sequestration, the conversion of carbon dioxide into solid carbon has been discussed. Patent GB 2 449 234 describes a method for sequestering atmospheric carbon dioxide using a combined Sabatier process and methane pyrolysis, similar to patent documents US 5 213 770 and US 2018/319661. Solid carbon can be easily sequestered compared to CO2 capture and sequestration.
В преддверии целей по выбросам CO2 и быстрой потребностью в водороде и электричестве необходимы углеродные циклы, которые эффективны в использовании водорода и энергии, особенно для отраслей, основанных на углероде в качестве восстанавливающего агента.In the face of CO2 emissions targets and the rapid demand for hydrogen and electricity, carbon cycles that are efficient in using hydrogen and energy are needed, especially for industries that rely on carbon as a reducing agent.
Таким образом, настоящее изобретение основано на задаче предотвращения выбросов CO2, несмотря на использование углеродсодержащего материала в качестве восстанавливающего агента в химическом процессе. Вместо использования полученного монооксида углерода в процессах сжигания для производства электроэнергии и пара, монооксид углерода должен быть использован в качестве исходного материала и, таким образом, должен оставаться в циклическом углеродном процессе. Кроме того, углеродный цикл должен быть эффективным по водороду, энергии и теплопередаче. Кроме того, падение давления должно быть низким, особенно на стадии метанирования. Кроме того, углерод должен оставаться в углеродном цикле без каких-либо выбросов оксида углерода. Кроме того, углеродный цикл должен обеспечивать динамическую эксплуатацию.Thus, the present invention is based on the problem of preventing CO2 emissions despite the use of carbonaceous material as a reducing agent in a chemical process. Instead of using the resulting carbon monoxide in combustion processes for the production of electricity and steam, carbon monoxide should be used as a feedstock and thus should remain in the cyclic carbon process. In addition, the carbon cycle should be efficient in hydrogen, energy and heat transfer. In addition, the pressure drop should be low, especially in the methanation stage. In addition, the carbon should remain in the carbon cycle without any carbon monoxide emissions. In addition, the carbon cycle should ensure dynamic operation.
Неожиданно был обнаружен способ циклического углеродного процесса, включающийA method for a cyclic carbon process involving
- первую стадию, на которой подвергают взаимодействию водород и монооксид углерода с образованием метана и воды (СО+3Н2→СН4+H2O),- the first stage, in which hydrogen and carbon monoxide interact to form methane and water (CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O),
- вторую стадию, на которой метан разлагают на углерод и водород (СН4→2Н2+С),- the second stage, in which methane is decomposed into carbon and hydrogen (CH 4 → 2H 2 +C),
- третью стадию, на которой углерод используют в качестве восстанавливающего агента и/или углерод используют в углеродсодержащем материале в качестве восстанавливающего агента в химическом процессе для получения монооксида углерода и восстановленного вещества,- a third stage in which carbon is used as a reducing agent and/or carbon is used in a carbon-containing material as a reducing agent in a chemical process to produce carbon monoxide and a reduced substance,
причем метан, полученный на первой стадии, используют на второй стадии, а углерод, полученный на второй стадии, используют на третьей стадии, а монооксид углерода, полученный на третьей стадии, используют на первой стадии.wherein the methane obtained in the first stage is used in the second stage, and the carbon obtained in the second stage is used in the third stage, and the carbon monoxide obtained in the third stage is used in the first stage.
Циклический углеродный процесс предлагает несколько вариантов адаптации к конкретному процессу с использованием углеродсодержащего материала (третья стадия), к местным и экономическим условиям. Варианты для примера:The cyclic carbon process offers several options for adaptation to the specific process using carbon-containing material (third stage), to local and economic conditions. Examples of options:
- тепло реакции от экзотермической реакции метанирования (первая стадия) или избыточное тепло от процесса пиролиза метана (вторая стадия) можно использовать для выделения или очистки СО на третьей стадии или за пределами циклического углеродного процесса.- the reaction heat from the exothermic methanation reaction (first stage) or excess heat from the methane pyrolysis process (second stage) can be used to separate or purify CO in the third stage or outside the cyclic carbon process.
- водород от пиролиза метана (вторая стадия) может быть использован в метанировании (первая стадия)- hydrogen from methane pyrolysis (second stage) can be used in methanation (first stage)
- дополнительный водород может быть получен на дополнительной четвертой стадии- additional hydrogen can be obtained in an additional fourth stage
- вода после метанирования (первая стадия) может быть использована для получения водорода на дополнительной четвертой стадии- water after methanation (first stage) can be used to produce hydrogen in an additional fourth stage
- электролиз воды или паровой риформинг метана могут быть использованы для получения водорода- water electrolysis or steam methane reforming can be used to produce hydrogen
- другая установка по производству водорода может поставлять водород на метанирование- another hydrogen production plant can supply hydrogen for methanation
- потоки Н2, СН4, СО, CO2 и/или С могут быть введены в цикл в разных точках, например, Н2 на первой и/или третьей стадии, СН4 и другие легкие углеводороды на второй и/или третьей стадии, СО/CO2 на первой стадии, СО на третьей стадии- streams of H2 , CH4 , CO, CO2 and/or C can be introduced into the cycle at different points, for example, H2 in the first and/or third stage, CH4 and other light hydrocarbons in the second and/or third stage, CO/ CO2 in the first stage, CO in the third stage
- аналогично введению в цикл потоков Н2, СН4, СО, CO2 и/или С, данные потоки могут извлекаться из цикла для удовлетворения внешних потребностей и/или для хранения углерода.- similar to the introduction of H2 , CH4 , CO, CO2 and/or C flows into the cycle, these flows can be extracted from the cycle to meet external needs and/or for carbon storage.
Все стадии включают химические реакции и дополнительную обработку с соответствующим вводом энергии или выводом электричества и тепла. В целом, циклический углеродный процесс потребует ввода энергии, чтобы компенсировать химические реакции и необратимость процессов. Для достижения цели по предотвращению выбросов CO2 потребность в энергии циклического процесса предпочтительно должна обеспечиваться электроэнергией или теплом, вырабатываемым из возобновляемых источников или ядерной энергетики, с близкими к нулю выбросами CO2 или полностью без них. Предпочтительным источником энергии является электричество с углеродным следом <250 кг/МВтч, более предпочтительно <100 кг/МВтч. Циклический углеродный процесс схематически изображен на фигуре 1.All steps involve chemical reactions and additional processing with corresponding energy input or output of electricity and heat. In general, the cyclic carbon process will require energy input to compensate for the chemical reactions and irreversibility of the processes. To achieve the CO2 emission avoidance objective, the energy requirement of the cyclic process should preferably be provided by electricity or heat generated from renewable sources or nuclear power, with close to zero or no CO2 emissions. The preferred energy source is electricity with a carbon footprint of <250 kg/MWh, more preferably <100 kg/MWh. The cyclic carbon process is schematically depicted in Figure 1.
Циклический углеродный процесс позволяет избежать выбросов CO2, но также предлагает возможность извлечения углерода из цикла. Данный извлеченный углерод может храниться в течение длительного времени.The circular carbon process avoids CO2 emissions but also offers the possibility of extracting carbon from the cycle. This extracted carbon can be stored for a long time.
Извлечение и хранение углерода соответственно компенсирует то, что углерод и/или углеродсодержащие материалы, введенные в цикл, являются или производят CO2. CO2 может быть выделен и/или переработан на стадиях 1 и 2, тогда как углерод, образующийся на стадии 2, затем может быть извлечен и отправлен на хранение. С помощью данного метода можно поддерживать углеродный баланс для всего цикла. Кроме того, можно компенсировать выбросы CO2, связанные с производством электроэнергии и/или с расположенным выше по потоку производством другого исходного материала, используемого на стадиях цикла.Carbon recovery and storage compensates for the fact that the carbon and/or carbon-containing materials introduced into the cycle are or produce CO 2 . The CO 2 can be recovered and/or recycled in stages 1 and 2, while the carbon produced in stage 2 can then be recovered and stored. With this method, a carbon balance can be maintained for the entire cycle. In addition, CO 2 emissions associated with the production of electricity and/or with the upstream production of other feedstock used in the cycle stages can be compensated.
Далее описываются стадии циркулярного углеродного процесса, предпочтительные требования к энергоснабжению, а также кондиционирование и очистка потоков, переходящих с одной стадии на другую.The following describes the stages of the circular carbon process, the preferred energy supply requirements, and the conditioning and purification of the streams passing from one stage to the next.
Потребность в энергии в циклическом углеродном процессе зависит от комбинированных технологических стадий и их конструкции. В основном, процессы восстановления солей на третьей стадии - см. примеры выше -требуют больших энергетических затрат как эндотермические реакции. Превращение монооксида углерода и водорода на первой стадии является экзотермическим, пиролиз метана на второй стадии является эндотермическим.The energy requirement in the cyclic carbon process depends on the combined process stages and their design. In general, the salt reduction processes in the third stage - see examples above - require large energy inputs as endothermic reactions. The conversion of carbon monoxide and hydrogen in the first stage is exothermic, the pyrolysis of methane in the second stage is endothermic.
Циклическая переработка углерода всегда сопровождается потерями из-за несовершенной реализации процесса, поэтому потери углерода желательно компенсировать. Это можно сделать, добавляя в цикл потоки углеродосодержащих веществ, таких как С, CO2, СО или СН4.Cyclic carbon processing is always accompanied by losses due to imperfect implementation of the process, so it is desirable to compensate for carbon losses. This can be done by adding carbon-containing flows such as C, CO 2 , CO or CH 4 to the cycle.
Циклическая технология требует кондиционирования и очистки материальных потоков, так как в цикле циркулирующих материалов могут накапливаться химические компоненты. Это хорошо известное требование в химической технологии, где любой рециркулируемый поток предпочтительно очищают и кондиционируют, чтобы последствия накопления веществ в данном рециркулируемом потоке могли быть допустимы на последующих стадиях обработки в отношении качества продукта и производительности процесса.Cyclic technology requires conditioning and purification of material streams, since chemical components can accumulate in the cycle of circulating materials. This is a well-known requirement in chemical engineering, where any recycled stream is preferably purified and conditioned so that the consequences of the accumulation of substances in a given recycled stream can be tolerated in subsequent processing stages in terms of product quality and process performance.
Кроме того, общие оптимальные условия циклического процесса определяют рабочие условия для отдельных стадий, так что требования к очистке и кондиционированию потока материала могут отличаться от требований при работе стадий по отдельности.In addition, the overall optimum conditions of the batch process determine the operating conditions for the individual stages, so that the cleaning and conditioning requirements of the material stream may differ from those when the stages are operated separately.
Очищение и кондиционирование перед первой стадией:Cleansing and conditioning before the first stage:
Предпочтительное метанирование включает каталитическую реакцию с использованием катализаторов на основе никеля на оксиде алюминия при давлении от 5 до 60 бар, предпочтительно от 10 до 45 бар и температуре от 200 до 550°С. Сырьевые потоки моноксида углерода, при необходимости включающие небольшие количества диоксида углерода и водорода, предпочтительно очищают и кондиционируют, чтобы соответствовать условиям, необходимым для работы первой стадии в безопасном режиме и с высокой производительностью.The preferred methanation comprises a catalytic reaction using nickel-based catalysts on alumina at a pressure of 5 to 60 bar, preferably 10 to 45 bar, and a temperature of 200 to 550°C. The carbon monoxide feed streams, optionally including small amounts of carbon dioxide and hydrogen, are preferably purified and conditioned to meet the conditions required for operating the first stage safely and at high productivity.
Монооксид углерода и водород должны содержать как можно меньше загрязнителей катализатора, таких как, например, серосодержащие соединения или каталитические яды, такие как хлор. Оптимальный уровень загрязняющих веществ зависит от катализатора и конструкции процесса метанирования, поскольку очистка сырьевых потоков требует затрат, но повышает производительность и срок службы катализатора. Наилучшая схема процесса является вопросом оптимизации химической технологии в зависимости от загрязнителей, возникающих на первой и третьей стадии и при необходимости четвертой стадии, и зависит от катализатора и схемы процесса на второй стадии. Из-за постоянного усовершенствования катализаторов и процессов данные оптимальные условия могут со временем измениться.Carbon monoxide and hydrogen should contain as few catalyst contaminants as possible, such as sulfur compounds or catalyst poisons such as chlorine. The optimum contaminant level depends on the catalyst and the methanation process design, since cleaning the feed streams is costly but improves productivity and catalyst life. The best process design is a matter of optimizing the chemical engineering depending on the contaminants occurring in the first and third stages and, if necessary, the fourth stage, and depends on the catalyst and the process design in the second stage. Due to continuous improvements in catalysts and processes, these optimum conditions may change over time.
Водород из пиролиза метана на второй стадии предпочтительно очищают и кондиционируют для первой стадии. Это может быть сделано либо в рамках пиролиза на второй стадии, либо при метанировании на первой стадии в зависимости, например, от условий площадки по пространству и наличию инженерных коммуникаций. Типичная чистота водорода для промышленной переработки составляет 99,9-99,99% об. Еще более высокая чистота возможна при использовании существующих технологий очистки газа, таких как адсорбция при переменном давлении и мембранные технологии, и может рассматриваться как оптимизация циклического углеродного процесса.Hydrogen from methane pyrolysis in the second stage is preferably purified and conditioned for the first stage. This can be done either as part of the pyrolysis in the second stage or by methanation in the first stage depending, for example, on site conditions in terms of space and availability of utilities. Typical hydrogen purity for industrial processing is 99.9-99.99% vol. Even higher purity is possible using existing gas purification technologies such as pressure swing adsorption and membrane technologies and can be considered as an optimization of the cyclic carbon process.
Монооксид углерода для метанирования поступает с третьей стадии. Реакции на третьей стадии генерируют монооксид углерода. Поток монооксида углерода для метанирования должен преимущественно содержать СО в количестве, предпочтительно >80, более предпочтительно >90%, еще более предпочтительно >95% об. Присутствие СН4 и H2O в качестве продуктов реакции метанирования допустимо, но нежелательно, чтобы не увеличивать размеры реактора и другого оборудования. Другие приемлемые примеси в данном потоке зависят от катализатора метанирования и структуры процесса, а также от технологической оптимизации всего процесса. Предпочтительным является содержание галогенов <0,1 об. ч.н.млн, общей серы <0,1 мг/нм3 и смолы <5 мг/нм3. Очистку и кондиционирование потока СО можно проводить на третьей стадии после или между реакциями, но их можно проводить и на первой стадии перед реакцией метанирования, в зависимости от технологический особенностей.Carbon monoxide for methanation comes from the third stage. The reactions in the third stage generate carbon monoxide. The carbon monoxide stream for methanation should predominantly contain CO in an amount of, preferably, >80, more preferably, >90%, even more preferably, >95% by volume. The presence of CH4 and H2O as products of the methanation reaction is acceptable, but undesirable, in order not to increase the size of the reactor and other equipment. Other acceptable impurities in this stream depend on the methanation catalyst and the process design, as well as on the process optimization of the overall process. Halogens <0.1 vol ppm, total sulfur <0.1 mg/ Nm3 and tar <5 mg/ Nm3 are preferred. Cleaning and conditioning of the CO stream can be carried out in the third stage after or between reactions, but they can also be carried out in the first stage before the methanation reaction, depending on the process features.
Содержание кислорода в смеси сырьевых газов водорода и монооксида углерода для метанирования предпочтительно составляет <1% об., более предпочтительно <1000 об. ч.н.млн.The oxygen content of the hydrogen and carbon monoxide feed gas mixture for methanation is preferably <1 vol.%, more preferably <1000 vol. ppm.
Первая стадия:First stage:
На первой стадии водород и монооксид углерода вступают в реакцию с образованием метана и воды, известную как реакция метанирования СО (см., например, S. с соавт.: Review on methanation - From fundamental to current projects. Fuel 166 (2016) 276-296, Мюллер и соавт., «Energiespeicherung mittels Methan und energietragenden Stoffen - ein thermodynamischer Vergleich», Chemie Ingenieur Technik 2011, 83, №11, 2002-2013),In the first step, hydrogen and carbon monoxide react to form methane and water, known as the methanation reaction of CO (see, for example, S. et al.: Review on methanation - From fundamental to current projects. Fuel 166 (2016) 276-296, Müller et al., “Energiespeicherung mittels Methan und energietragenden Stoffen - ein thermodynamischer Vergleich”, Chemie Ingenieur Technik 2011, 83, no. 11, 2002-2013),
Промышленное применение метанирования в качестве каталитического процесса осуществляют при очистке газов от СО, например, в аммиачных процессах, чтобы избежать отравления катализатора и для очистки водорода от СО. Кроме того, разработано и реализовано метанирование СО для производства метана из синтез-газа.Industrial application of methanation as a catalytic process is carried out in the purification of gases from CO, for example, in ammonia processes to avoid poisoning of the catalyst and for the purification of hydrogen from CO. In addition, methanation of CO has been developed and implemented for the production of methane from synthesis gas.
Катализатор на основе никеля на оксиде алюминия является стандартным катализатором метанирования, предпочтительно катализатором в форме сот. В зависимости от технологии сообщалось об использовании от 1 до 6 реакторов при давлении от 1 до 70 бар и температуре от 200 до 700°С. Предпочтителен диапазон температур от 200 до 550°С, еще более предпочтительно от 350 до 450°С, в диапазоне давлений от 5 до 60 бар, более предпочтительно от 10 до 45 бар.A catalyst based on nickel on alumina is a standard methanation catalyst, preferably a honeycomb catalyst. Depending on the technology, the use of 1 to 6 reactors at a pressure of 1 to 70 bar and a temperature of 200 to 700°C has been reported. A temperature range of 200 to 550°C is preferred, even more preferably 350 to 450°C, in a pressure range of 5 to 60 bar, more preferably 10 to 45 bar.
Сырьевой поток монооксида углерода для метанирования может иметь различный состав от чистого СО (промышленная чистота) до смеси СО и CO2. Потребность в водороде и количество производимой воды для СО ниже, чем для CO2. Соотношение СО и CO2 в оксиде углерода является результатом технологической оптимизации всего циклического процесса с учетом производительности процесса, а также потенциально существующих установок, площадки и экономических условий. Типичная смесь СО/CO2 содержит от 80 до 100% об. СО и от 0 до 20% об. CO2, предпочтительно от 85 до 100% об. СО и от 0 до 15% об. CO2, еще более предпочтительно от 90 до 100% об. СО и от 0 до 10% об. CO2, в частности, от 95 до 100% об. СО и от 0 до 5% об. CO2.The carbon monoxide feed stream for methanation can have a different composition, ranging from pure CO (industrial purity) to a mixture of CO and CO2 . The hydrogen requirement and the amount of water produced are lower for CO than for CO2 . The ratio of CO to CO2 in the carbon monoxide is the result of a process optimization of the overall cyclic process, taking into account the process throughput as well as the potentially existing plants, site and economic conditions. A typical CO/ CO2 mixture contains from 80 to 100 vol.% CO and from 0 to 20 vol. % CO2 , preferably from 85 to 100 vol.% CO and from 0 to 15 vol.% CO2 , even more preferably from 90 to 100 vol.% CO and from 0 to 10 vol.% CO2 , in particular from 95 to 100 vol.% CO and from 0 to 5 vol.% CO2 .
Содержание CO2 в продукте процесса метанирования должно поддерживаться на низком уровне, что означает предпочтительно ниже 0,5% об., например, посредством избытка водорода, чтобы избежать образования большого количества СО при последующем пиролизе метана, поскольку это привело бы к большим затратам на рециркулируемый поток газа при пиролизе метана и на очистку водорода после стадии пиролиза метана.The CO2 content in the product of the methanation process must be kept low, which means preferably below 0.5% by volume, for example by means of excess hydrogen, in order to avoid the formation of large amounts of CO during the subsequent methane pyrolysis, since this would lead to high costs for the recycled gas stream during methane pyrolysis and for the purification of hydrogen after the methane pyrolysis stage.
Водород, необходимый для первой стадии, предпочтительно получают на второй стадии. Кроме того, водород предпочтительно можно получать на четвертой стадии, при необходимости используя дополнительно воду со второй стадии в качестве исходного материала для достижения высокой цикличности, что означает использование большей части потоков материала. В целом, водород для первой стадии может быть получен любым способом, находящемся за пределами циклического углеродного процесса. Например, водород может быть получен паровым риформингом природного газа и/или биометана с или без улавливания и хранения или утилизации углерода, электролизом воды, он может быть побочным продуктом других процессов, таких как производство коксующегося угля или паровой крекинг, или любой другой способ производства водорода и сочетание различных способов, включая промежуточное хранение в резервуарах. Подача водорода также может осуществляться из внешнего трубопровода.The hydrogen required for the first stage is preferably obtained in the second stage. In addition, hydrogen can preferably be obtained in the fourth stage, optionally using additional water from the second stage as a feedstock to achieve high cyclicity, which means using a large part of the material streams. In general, the hydrogen for the first stage can be obtained by any method outside the cyclic carbon process. For example, hydrogen can be obtained by steam reforming of natural gas and/or biomethane with or without carbon capture and storage or utilization, by electrolysis of water, it can be a by-product of other processes such as coking coal production or steam cracking, or any other hydrogen production method and a combination of different methods, including intermediate storage in tanks. Hydrogen can also be supplied from an external pipeline.
Необходимо учитывать общие выбросы CO2, поскольку целью настоящего изобретения является предотвращение выбросов CO2, несмотря на использование углеродного материала в качестве восстанавливающего агента. Поскольку метанирование и пиролиз метана включают для замыкания циклического углеродного процесса, производство водорода может быть спроектировано с учетом затрат и общих выбросов CO2.The overall CO2 emissions must be taken into account since the objective of the present invention is to prevent CO2 emissions despite the use of carbon material as a reducing agent. Since methanation and methane pyrolysis are included to close the cyclic carbon process, hydrogen production can be designed taking into account costs and overall CO2 emissions.
Очищение и кондиционирование от первой стадии до второй стадии:Cleansing and conditioning from stage one to stage two:
Технология очистки и кондиционирования газообразных продуктов метанирования хорошо известна в уровне техники, например патент США US 8,568,512, F.G. Kerry: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification or https://biogas.fnr.de/gewinnung/anlagentechnik/biogasaufbereitung/. Обычно для очистки метана используют следующие способы: промывка аминами, промывка водой под давлением, адсорбция при переменном давлении, физическая адсорбция, мембранные процессы и криогенные процессы. Второй продукт, воду, очищают стандартными методами химической технологии, такими как экстракция, мембранные процессы, адсорбция и ионный обмен.The technology for cleaning and conditioning gaseous products of methanation is well known in the art, for example US Patent US 8,568,512, F.G. Kerry: Industrial Gas Handbook: Gas Separation and Purification or https://biogas.fnr.de/gewinnung/anlagentechnik/biogasaufbereitung/. The following methods are commonly used to clean methane: amine scrubbing, pressurized water scrubbing, pressure swing adsorption, physical adsorption, membrane processes and cryogenic processes. The second product, water, is purified by standard chemical engineering methods such as extraction, membrane processes, adsorption and ion exchange.
Условия для использования метана с первой стадии на второй стадии: предпочтительно остаток Н2 до 90% об., СО+CO2 предпочтительно <0,5 % об., общая сера предпочтительно <6 мг/м3, как в обычном природном газе, предпочтительна температура <400°С для предотвращения начала пиролиза перед второй стадией, снижение давления до давления на стадии пиролиза, в данном случае 1-5 бар, предпочтительно 1-10 бар, ожидаемых на стадии пиролиза, на позднее усовершенствованных стадиях более высокое давление будет достигнуто на второй ступени, и предпочтительно первая и вторая стадии могут иметь одинаковый уровень давления 5-30 бар плюс/минус 1-2 бар для переноса метана с первой стадии на вторую стадию и/или водорода со второй стадии на первую стадию лишь с небольшим изменением давления.Conditions for using methane from the first stage in the second stage: preferably H2 residue up to 90% by volume, CO+ CO2 preferably <0.5% by volume, total sulphur preferably <6 mg/ m3 , as in normal natural gas, preferably temperature <400°C to prevent the start of pyrolysis before the second stage, pressure reduction to the pressure in the pyrolysis stage, in this case 1-5 bar, preferably 1-10 bar, expected in the pyrolysis stage, in later improved stages higher pressure will be achieved in the second stage, and preferably the first and second stages can have the same pressure level of 5-30 bar plus/minus 1-2 bar to transfer methane from the first stage to the second stage and/or hydrogen from the second stage to the first stage with only a small change in pressure.
Вода для использования на необязательной четвертой стадии или других внешних процессах: Вода в качестве исходного материала для промышленных процессов, таких как электролиз или паровой риформинг метана, обычно используется в виде деминерализованной воды с проводимостью предпочтительно <5*10-6 См/см. Дополнительными характеристиками являются, например, предпочтительно <0,3 ч.н.млн SiO2 и CaCO3 предпочтительно <1 ч.н.млн (Заключительный отчет проекта, финансируемого BMBF: „Studie uber die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoff-Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck PlanDelyKaD". DLR и др., Christoph Noack и др, Штутгарт 5.2.2015). Спецификации для воды также приведены в стандартах ISO 3696 (1987) или ASTM (D1193-91).Water for use in optional fourth stage or other external processes: Water as feedstock for industrial processes such as electrolysis or steam methane reforming is typically used in the form of demineralized water with a conductivity of preferably <5*10 -6 S/cm. Further characteristics are, for example, preferably <0.3 ppm SiO2 and preferably <1 ppm CaCO3 (Final report of the BMBF-funded project: "Studie uber die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoff-Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck PlanDelyKaD". DLR et al., Christoph Noack et al., Stuttgart 5.2.2015). Specifications for water are also given in the standards ISO 3696 (1987) or ASTM (D1193-91).
Вторая стадия:Second stage:
На второй стадии метан с первой стадии разлагается на твердый углерод и водород. Процесс разложения метана также называют пиролизом метана, так как в нем не участвует кислород. Разложение можно проводить различными способами, известными специалистам в данной области: каталитически или термически, а также с подводом тепла через плазму, резистивный нагрев, жидкометаллические процессы или автотермически (см., например, Н. Мурадов и Т. Везироглу: "Green" path from fossil-based to hydrogen economy: An overview of carbon-neutral technologies", International Journal Hydrogen Energy 33 (2008) 6804-6839, H.F. Abbas и W.M.A. Wan Daud: Hydrogen production by methane decomposition: A review, International Journal Hydrogen Energy 35 (2010) 1160-1190), R. Dagle и др.: An Overview of Natural Gas Conversion Technolgies for Co-Production of Hydrogen and Value-Added Solid Carbon Products, Report by Argonne National Laboratory and Pacific Northwest National Laboratory (ANL-17/11, PNNL-26726) Ноябрь 2017).In the second stage, the methane from the first stage is decomposed into solid carbon and hydrogen. The process of methane decomposition is also called methane pyrolysis, since oxygen is not involved. The decomposition can be carried out in a variety of ways known to those skilled in the art: catalytically or thermally, as well as with heat input via plasma, resistive heating, liquid metal processes, or autothermally (see, for example, N. Muradov and T. Veziroglu: "Green" path from fossil-based to hydrogen economy: An overview of carbon-neutral technologies", International Journal Hydrogen Energy 33 (2008) 6804-6839, H.F. Abbas and W.M.A. Wan Daud: Hydrogen production by methane decomposition: A review, International Journal Hydrogen Energy 35 (2010) 1160-1190), R. Dagle et al.: An Overview of Natural Gas Conversion Technologies for Co-Production of Hydrogen and Value-Added Solid Carbon Products, Report by Argonne National Laboratory and Pacific Northwest National Laboratory (ANL-17/11, PNNL-26726) November 2017).
В случае автотермического пиролиза метана в реакцию вводят кислород для частичного сжигания метана и водород для получения тепла. В этом случае поток, выходящий из реактора, станет синтез-газом и будет содержать СО и CO2. Этот газ можно использовать внутри или за пределами циклического углеродного процесса, или газы можно разделить и использовать Н2 и CO2, например, на первой стадии, и СО на третьей стадии.In the case of autothermal pyrolysis of methane, oxygen is introduced into the reaction to partially burn the methane and hydrogen is introduced to produce heat. In this case, the stream leaving the reactor will become synthesis gas and will contain CO and CO 2 . This gas can be used inside or outside the cyclic carbon process, or the gases can be separated and H 2 and CO 2 used, for example, in the first stage, and CO in the third stage.
Реактор пиролиза может работать при температуре от 500 до 2000°С в зависимости от присутствия какого либо катализатора (предпочтительно от 500 до 1000°С) или без катализатора (предпочтительно от 1000 до 2000°С). Реакцию термического разложения предпочтительно проводят в диапазоне давлений от атмосферного до 30 бар. Диапазон давления от 5 до 10 бар является крайне предпочтительным для подачи водорода на стадию метанирования без дальнейшего изменения давления.The pyrolysis reactor can operate at a temperature of 500 to 2000°C, depending on the presence of any catalyst (preferably 500 to 1000°C) or without a catalyst (preferably 1000 to 2000°C). The thermal decomposition reaction is preferably carried out in a pressure range from atmospheric to 30 bar. A pressure range of 5 to 10 bar is highly preferred for feeding hydrogen to the methanation stage without further pressure changes.
Более высокое давление пиролиза, чем требуется для первой стадии, может иметь значение в том случае, если водород со второй стадии должен экспортироваться в процесс, находящийся за пределами циклического углеродного процесса. В таком случае экспортируемое количество водорода предпочтительно подается с необязательной четвертой стадии с низким углеродным выбросом.A higher pyrolysis pressure than required for the first stage may be of value if the hydrogen from the second stage is to be exported to a process outside the cyclic carbon process. In such a case, the amount of hydrogen to be exported is preferably supplied from an optional low-carbon fourth stage.
При необходимости в реактор пиролиза метана может подаваться дополнительный метан из внешнего источника. Предпочтительным внешним источником является биометан. Количество CO2 в сырьевом газе из процесса метанирования должно быть низким по кислородсодержащим соединениям, чтобы ограничить количество рециркулируемого газа в процессе, иначе это приведет к более высоким затратам на эксплуатацию компрессора рециркулируемого газа.If required, additional methane can be supplied to the methane pyrolysis reactor from an external source. The preferred external source is biomethane. The amount of CO2 in the feed gas from the methanation process should be low in oxygenates to limit the amount of recycled gas in the process, otherwise this will lead to higher operating costs for the recycle gas compressor.
Тип углерода, образующийся при разложении метана, зависит от условий реакции, реактора и технологии нагрева. Примерами продуктов являютсяThe type of carbon produced by methane decomposition depends on the reaction conditions, reactor, and heating technology. Examples of products include
- углеродная сажа из плазменных процессов- carbon black from plasma processes
- угольный порошок из жидкометалличесских процессов- carbon powder from liquid metal processes
- гранулированный углерод из термического разложения в реакторах с неподвижным, подвижным или псевдоожиженным слоем.- granular carbon from thermal decomposition in fixed, moving or fluidized bed reactors.
Обсуждаются применения углеродных продуктов разложения метана, например, для производства алюминия и стали, производства шин, производства электродов, полимерных блендов, добавок для строительных материалов, углеродных устройств, таких как теплообменники, кондиционирования почвы, или даже хранения.Applications of carbon products from methane decomposition are discussed, for example, for the production of aluminum and steel, tire production, electrode production, polymer blends, additives for building materials, carbon devices such as heat exchangers, soil conditioning, or even storage.
Кондиционирование от второй стадии до третьей стадии:Conditioning from stage 2 to stage 3:
Углерод со второй стадии зависит от выбора технологии процесса пиролиза метана и может, например, быть углеродной сажей, пылевидным или гранулированным углеродом. Форма углеродсодержащего материала, необходимого для третьей стадии, зависит от процесса восстановления и может быть, например, электродом, коксом или частицами. Для получения, например, электродов Содерберга для процесса восстановления алюминия обычно используют смешивание и обработку твердых частиц или формование электродов.The carbon from the second stage depends on the choice of methane pyrolysis process technology and can be, for example, carbon black, powdered or granular carbon. The form of the carbon-containing material required for the third stage depends on the reduction process and can be, for example, an electrode, coke or particles. For example, mixing and processing of solid particles or electrode molding are commonly used to produce Soderberg electrodes for the aluminum reduction process.
Водород со второй стадии предпочтительно используется на первой стадии и требуется под давлением, несколько превышающем давление реактора метанирования, т.е. 5-10 бар, и промышленной чистоты. См. выше для дальнейшего описания.Hydrogen from the second stage is preferably used in the first stage and is required at a pressure slightly higher than the methanation reactor pressure, i.e. 5-10 bar, and of industrial purity. See above for further description.
Третья стадия:Third stage:
На третьей стадии проводится химическая реакция, при этом углерод используется в углеродсодержащем материале в качестве восстанавливающего агента, т.е. в качестве углеродсодержащего анода. В незначительных количествах углерод используется в качестве исходного материала для получения монооксида углерода СО, который используется в качестве восстанавливающего агента, или CO2 из процесса восстановления превращается с дополнительным углеродом с образованием СО, который используется в качестве восстанавливающего агента. На третьей стадии используется углерод, полученный на второй стадии.In the third stage, a chemical reaction is carried out, using carbon in the carbon-containing material as a reducing agent, i.e. as a carbon-containing anode. In small quantities, carbon is used as a starting material to produce carbon monoxide CO, which is used as a reducing agent, or CO 2 from the reduction process is converted with additional carbon to form CO, which is used as a reducing agent. The third stage uses the carbon obtained in the second stage.
Третья стадия предпочтительно включает процессы модификации и смешивания углерода (процессы модификации углерода) со второй стадии с другими формами углерода или дополнительными веществами, пригодными для использования в качестве восстанавливающего агента на третьей стадии. Типичными процессами модификации и смешивания углерода являются производство электродов или, в незначительных количествах, производство монооксида углерода СО. Процессы модификации углерода также могут быть частью второй стадии или могут рассматриваться как отдельная стадия между второй и третьей стадией.The third stage preferably comprises processes for modifying and mixing carbon (carbon modification processes) from the second stage with other forms of carbon or additional substances suitable for use as a reducing agent in the third stage. Typical processes for modifying and mixing carbon are the production of electrodes or, in minor quantities, the production of carbon monoxide CO. Carbon modification processes may also be part of the second stage or may be considered as a separate stage between the second and third stages.
Предпочтительными являются следующие процессы: восстановление оксида кальция до карбида кальция посредством окисления углерода до монооксида углерода, восстановление оксида кремния до кремния или карбида кремния посредством окисления углерода до монооксида углерода, восстановление оксида олова до олова посредством окисления углерода до монооксида углерода, восстановление оксида хрома до хрома посредством окисления углерода до монооксида углерода, восстановление оксида марганца до марганца посредством окисления углерода до монооксида углерода и/или восстановление фосфата кальция до фосфора посредством окисления углерода до монооксида углерода.Preferred are the following processes: reduction of calcium oxide to calcium carbide by oxidation of carbon to carbon monoxide, reduction of silicon oxide to silicon or silicon carbide by oxidation of carbon to carbon monoxide, reduction of tin oxide to tin by oxidation of carbon to carbon monoxide, reduction of chromium oxide to chromium by oxidation of carbon to carbon monoxide, reduction of manganese oxide to manganese by oxidation of carbon to carbon monoxide and/or reduction of calcium phosphate to phosphorus by oxidation of carbon to carbon monoxide.
Для предпочтительных процессов в следующей таблице представлена информация об основном восстанавливающем агенте в соответствии с общей реакцией, о том, как углерод применяется в реакции, и об основном продукте оксиде углерода. Однако процессы сложны и могут включать, например, несколько стадий и множество технологических блоков, так что углерод можно применять в различных формах, таких как электроды и пылевидный уголь, или кокс, или аналогичные формы.For preferred processes, the following table provides information on the main reducing agent according to the overall reaction, how carbon is used in the reaction, and the main product carbon monoxide. However, the processes are complex and may involve, for example, several stages and many process units, so that carbon may be used in various forms, such as electrodes and pulverized carbon or coke or similar forms.
Источниками углерода для современных процессов являются нефтяной кокс из технологических процессов по переработке нефти, каменноугольная смола и кокс с угольных коксохимических заводов или углерод из горнодобывающей промышленности, такой как графит.Carbon sources for modern processes include petroleum coke from oil refining processes, coal tar and coke from coal coke plants, or carbon from mining such as graphite.
Углерод можно использовать в двух функциях: непосредственно в качестве восстанавливающего агента или в качестве источника монооксида углерода, который затем используется в качестве восстанавливающего агента. Обе функции могут присутствовать на третьей стадии, и продуктом реакции может быть в основном СО или CO2 или их смесь. В дополнение к функции восстанавливающего агента СО может, например, использоваться в процессах сжигания и генерировать тепло для производства электроэнергии и пара. Предполагается, что это использование является частью третьей стадии, хотя оно также может быть расположено на первой и/или второй стадии или за пределами цикла. СО также можно использовать в качестве восстанавливающего агента в параллельном процессе.Carbon can be used in two functions: directly as a reducing agent or as a source of carbon monoxide, which is then used as a reducing agent. Both functions can be present in the third stage, and the reaction product can be mainly CO or CO 2 or a mixture of both. In addition to the function of a reducing agent, CO can, for example, be used in combustion processes and generate heat for the production of electricity and steam. This use is assumed to be part of the third stage, although it can also be located in the first and/or second stage or outside the cycle. CO can also be used as a reducing agent in a parallel process.
Оксид углерода полученный на третьей стадии предпочтительно отделяют от выходящих потоков процесса. Выходящие потоки могут иметь различный состав основных компонентов СО и CO2, включая их смеси, сопровождаемые другими веществами, такими как инертные вещества, побочные продукты процесса или загрязняющие вещества. Предпочтительными способами отделения оксида углерода являются выделение из газовых потоков веществ, отличных от оксида углерода, с получением потока СО/CO2 в качестве исходного потока для первой стадии. Здесь также могут применяться такие методы очистки газов, как абсорбция, адсорбция, мембранная технология, в зависимости от вида и содержания разделяемых веществ.The carbon monoxide obtained in the third stage is preferably separated from the process effluents. The effluents may have different compositions of the main components CO and CO 2 , including mixtures thereof, accompanied by other substances such as inert substances, process by-products or pollutants. Preferred methods for separating carbon monoxide are the separation of substances other than carbon monoxide from the gas streams, with the production of a CO/CO 2 stream as the feed stream for the first stage. Here, gas purification methods such as absorption, adsorption, membrane technology can also be used, depending on the type and content of the substances to be separated.
Кондиционирование от первой стадии до четвертой стадии:Conditioning from stage one to stage four:
См. выше информацию об очистке и кондиционировании воды перед необязательной четвертой стадией или для других процессов, находящихся за пределами циклического углеродного процесса.See above for information on water treatment and conditioning prior to the optional fourth stage or for other processes outside the cyclic carbon process.
Необязательная четвертая стадия:Optional fourth stage:
Четвертая стадия включает процесс получения водорода, предпочтительно процесс производства водорода с углеродным выбросом <1 кг CO2/кг, границы системы от исходных материалов до подачи водорода на первую стадию, Н2 для достижения значительного сокращения выбросов CO2, см. например, производство алюминия. Есть много способов, которыми это может быть достигнуто, например, электролиз воды с электричеством из возобновляемых источников, стандартный паровой риформинг с улавливанием диоксида углерода, стандартный паровой риформинг с биометаном при низком углеродном выбросе производства биометана, пиролиз метана (см., например, Compendium of Hydrogen Energy Том. 1: Hydrogen Production and Purification, под ред. V. Subramani, A. Basile, T.N. Veziroglu. Woodhead Cambridge 2015). Одним из предпочтительных способов является электролиз воды, при котором вода электрически разделяется на водород и кислород. Другим предпочтительным способом является пиролиз метана с использованием природного газа с низким углеродным выбросом или любой из процессов в сочетании с улавливанием и хранением углерода.The fourth stage comprises a hydrogen production process, preferably a hydrogen production process with a carbon footprint of <1 kg CO 2 /kg, the system boundary from feedstock to hydrogen feed to the first stage, H 2 to achieve significant CO 2 emission reductions, see for example aluminium production. There are many ways in which this can be achieved, for example water electrolysis with electricity from renewable sources, standard steam reforming with carbon dioxide capture, standard steam reforming with biomethane in low carbon biomethane production, methane pyrolysis (see for example Compendium of Hydrogen Energy Vol. 1: Hydrogen Production and Purification, eds. V. Subramani, A. Basile, T. N. Veziroglu. Woodhead Cambridge 2015). One preferred way is water electrolysis, where water is electrically split into hydrogen and oxygen. Another preferred method is methane pyrolysis using low-carbon natural gas or any of the processes in combination with carbon capture and storage.
Если используется электролиз, вода, полученная на первой стадии, предпочтительно используется на четвертой стадии для достижения высокой цикличности всего процесса. Электролиз воды можно проводить с использованием различных технологий, таких как щелочной электролиз, мембрана с полимерным электролитом (РЕМ) или твердооксидные электролизные элементы (SOEC). Типичные параметры описаны, например, в (Заключительный отчет проекта, финансируемого BMBF: „Studie Liber die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoff-Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck PlanDelyKaD". DLR и др., Christoph Noack и др, Штутгарт 5.2.2015).If electrolysis is used, the water obtained in the first step is preferably used in the fourth step in order to achieve a high cyclicity of the entire process. The electrolysis of water can be carried out using various technologies, such as alkaline electrolysis, polymer electrolyte membrane (PEM) or solid oxide electrolysis cells (SOEC). Typical parameters are described, for example, in (Final report of the BMBF-funded project: "Studie Liber die Planung einer Demonstrationsanlage zur Wasserstoff-Kraftstoffgewinnung durch Elektrolyse mit Zwischenspeicherung in Salzkavernen unter Druck PlanDelyKaD". DLR et al., Christoph Noack et al., Stuttgart 5.2.2015).
Комбинированная установка для циклического углеродного процесса:Combined plant for cyclic carbon process:
Кроме того, настоящее изобретение относится к системе циклического углеродного процесса, комбинированной установке, включающей:Furthermore, the present invention relates to a cyclic carbon process system, a combined plant, comprising:
(i) установку, использующую углерод и/или углеродсодержащий материал в качестве восстанавливающего агента в химическом реакторе, включая отделение СО и кондиционирование ниже по потоку от химического реактора(i) a plant using carbon and/or carbonaceous material as a reducing agent in a chemical reactor, including CO separation and conditioning downstream of the chemical reactor
(ii) расположенную ниже по потоку установку метанирования, производящую метан и воду(ii) a downstream methanation unit producing methane and water
(iii) расположенную ниже по потоку от установки метанирования установку пиролиза, разлагающую метан на твердый углерод и водород.(iii) a pyrolysis unit located downstream of the methanation unit, which decomposes methane into solid carbon and hydrogen.
При необходимости комбинированная установка может включать одно или несколько из следующих устройств/установок:If necessary, the combined installation may include one or more of the following devices/installations:
- установку по производству водорода, предпочтительно установку электролиза воды- a hydrogen production plant, preferably a water electrolysis plant
Для соединения различных стадий применяются следующие подходы:The following approaches are used to connect the different stages:
- газопровод, подающий обогащенную метаном смесь с первой стадии на вторую стадию- a gas pipeline that supplies a methane-enriched mixture from the first stage to the second stage
- устройство для транспортировки твердого углерода между второй стадией и третьей стадией- a device for transporting solid carbon between the second stage and the third stage
- газопровод для транспортировки оксида углерода с третьей стадии на первую стадию- gas pipeline for transporting carbon monoxide from the third stage to the first stage
- газопровод для транспортировки водорода со второй стадии и/или четвертой стадии на первую стадию- a gas pipeline for transporting hydrogen from the second stage and/or the fourth stage to the first stage
- трубопровод для транспортировки жидкой воды с первой стадии на четвертую стадию- pipeline for transporting liquid water from the first stage to the fourth stage
- газопровод для подачи водорода от внешнего производства на первую и/или третью стадию- gas pipeline for supplying hydrogen from external production to the first and/or third stage
- газопровод для подачи СН4 и легких углеводородов от внешнего производства на вторую и/или третью стадию- gas pipeline for supplying CH4 and light hydrocarbons from external production to the second and/or third stage
- газожидкостный трубопровод для подачи СО/CO2 от внешнего производства на первую стадию- gas-liquid pipeline for supplying CO/ CO2 from external production to the first stage
- газопровод для подачи СО от внешнего производства на третью стадию- gas pipeline for supplying CO from external production to the third stage
- транспортный трубопровод или устройство для транспортировки твердых веществ для подачи углерода из внешних источников на третью стадию- a solids transport pipeline or device for feeding carbon from external sources to the third stage
- любые другие варианты подачи, такие как водород в связках баллонов, включая промежуточное хранение в цистернах- any other supply options, such as hydrogen in cylinder bundles, including intermediate storage in tanks
Различные реакторы могут быть соединены квалифицированным специалистом в данной области техники с учетом необходимых параметров газа и чистоты для каждой стадии. Преимущество совместной комбинации установок сохраняется, если установки расположены в радиусе от 50 до 100 км.The various reactors can be connected by a qualified specialist in the field, taking into account the required gas parameters and purity for each stage. The advantage of a joint combination of units is retained if the units are located within a radius of 50 to 100 km.
Преимуществами циклического углеродного процесса являютсяThe advantages of the cyclic carbon process are
- Предотвращение выбросов CO2 для обеспечения углеродно-нейтрального производства при использовании углеродосодержащих материалов в качестве восстанавливающего агента.- Avoidance of CO2 emissions to achieve carbon neutral production by using carbon containing materials as a reducing agent.
- Снижение потребности в водороде и электроэнергии за счет использования метанирования СО вместо метанирования CO2 - Reduced hydrogen and electricity demand by using CO methanation instead of CO2 methanation
- Получение гомогенного углеродного материала без существенного изменения чистоты других свойств материала.- Obtaining a homogeneous carbon material without significant changes in the purity and other properties of the material.
- Замещение закупок углерода собственным производством- Substitution of carbon purchases with own production
- Инвестиционная альтернатива сокращению выбросов CO2 по сравнению с улавливанием и хранением углерода (CCS). CCS требует улавливания CO2 с учетом потребности в энергии. Эта потребность в энергии может быть удовлетворена за счет теплоты экзотермической реакции метанирования.- An investment alternative to reduce CO2 emissions compared to carbon capture and storage (CCS). CCS requires CO2 capture in addition to energy requirements. This energy requirement can be met by the heat of the exothermic methanation reaction.
Подробное описание фигуры 1:Detailed description of figure 1:
Фиг. 1: Схема циклического углеродного процесса, в ходе которого монооксид углерода и водород реагируют с образованием метана в качестве сырья для пиролиза метана с получением углерода для процесса, использующего углерод в качестве восстанавливающего агента, водород из пиролиза метана может быть использован в процессе метанирования и/или водород может подаваться с необязательной четвертой стадии.Fig. 1: Schematic diagram of a cyclic carbon process in which carbon monoxide and hydrogen react to form methane as feedstock for methane pyrolysis to produce carbon for a process using carbon as a reducing agent, hydrogen from methane pyrolysis may be used in a methanation process and/or hydrogen may be supplied from an optional fourth stage.
Claims (23)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP20176799.3 | 2020-05-27 | ||
| EP20178657.1 | 2020-06-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2832837C1 true RU2832837C1 (en) | 2025-01-09 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2449234A (en) * | 2007-05-14 | 2008-11-19 | Timothy James Ronald Kruger | A method of converting carbon dioxide to carbon and oxygen using heat. |
| RU2650171C2 (en) * | 2012-12-21 | 2018-04-09 | Басф Се | Parallel preparation of hydrogen, carbon monoxide and carbon-comprising product |
| WO2018099709A1 (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | Climeworks Ag | Methods for the removal of co2 from atmospheric air or other co2-containing gas in order to achieve co2 emissions reductions or negative co2 emissions |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2449234A (en) * | 2007-05-14 | 2008-11-19 | Timothy James Ronald Kruger | A method of converting carbon dioxide to carbon and oxygen using heat. |
| RU2650171C2 (en) * | 2012-12-21 | 2018-04-09 | Басф Се | Parallel preparation of hydrogen, carbon monoxide and carbon-comprising product |
| WO2018099709A1 (en) * | 2016-11-29 | 2018-06-07 | Climeworks Ag | Methods for the removal of co2 from atmospheric air or other co2-containing gas in order to achieve co2 emissions reductions or negative co2 emissions |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20230227316A1 (en) | Circular carbon process | |
| JP6313292B2 (en) | Hydrogen production from integrated electrolyzer and hydrocarbon gasification reactor | |
| KR102298466B1 (en) | Combined system for producing steel and method for operating the combined system | |
| CN105762386A (en) | Integration Of Reforming/water Splitting And Electrochemical Systems For Power Generation With Integrated Carbon Capture | |
| US20240132428A1 (en) | Conversion of carbon dioxide and water to synthesis gas for producing methanol and hydrocarbon products | |
| JP2017157442A (en) | By-product hydrogen utilization system | |
| CN105883851B (en) | A kind of Novel gasification and pyrolysis coupling coal gas multi-production process | |
| JP6603607B2 (en) | Methanol synthesis system | |
| JP4030846B2 (en) | Methanol production method and apparatus | |
| RU2832837C1 (en) | Cyclic carbon method | |
| US20220235479A1 (en) | Method and system for using the carbon oxide arising in the production of aluminium | |
| IT202100011189A1 (en) | LOW ENVIRONMENTAL IMPACT PROCESS FOR THE REDUCTION OF IRON MINERALS IN A BLAST FURNACE USING SYNTHETIC GAS | |
| US20240308932A1 (en) | Method for producing synthetic fuel | |
| Ball et al. | Hydrogen production | |
| US20240376392A1 (en) | Method for producing synthetic fuel | |
| AU2023266683A1 (en) | Process and plant for producing renewable fuels | |
| WO2024189359A1 (en) | Apparatus for producing sustainable aviation fuels using synthesis gas fuel cells | |
| WO2025026817A1 (en) | A process for the production of low carbon intensity carbon monoxide | |
| EA049202B1 (en) | METHOD USING SYNTHESIS GAS TO REDUCE THE NEGATIVE ENVIRONMENTAL IMPACT OF IRON ORE REDUCTION IN BLAST FURNACES | |
| CN113924388A (en) | Method and integrated network for treating carbon oxides formed in aluminum production | |
| WO2017086082A1 (en) | Byproduct hydrogen utilization system |