СИСТЕМА СВЯЗЫВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА Российский патент 2004 года по МПК C01B31/00 B01D53/62 

Изобретение относится к системе связывания диоксида углерода, предназначенной для использования углекислого газа, существующего в атмосфере или содержащегося в отходящем газе, выделенном заводами и промышленными предприятиями.

Предпосылки для создания изобретения
Известно, что глобальное потепление вызвано в основном углекислым газом, который выделяется в результате человеческой жизнедеятельности в атмосферу заводами, промышленными предприятиями, теплоэлектростанциями, автомобилями и т. д. Поэтому считают, что уменьшение выделения углекислого газа или использование углекислого газа, существующего в атмосфере, является одной из наиболее важных мер защиты окружающей среды.

Для уменьшения выделения или уменьшения содержания углекислого газа предлагались многочисленные системы. Одна из таких систем представлена на фиг. 5. Система связывания диоксида углерода фиг.5 состоит по существу из отделителя СО₂ 6, генератора H₂ 8 и реактора 9. Отделитель СО₂ 6 выделяет СО₂ из отходящего газа источника СО₂ 1, который обычно представляет собой промышленную установку или термоустановку, и концентрирует газ СО₂ путем устранения из него примесей. Генератор Н₂ 8 генерирует газ Н₂ посредством известного способа, например с помощью электролитического разложения воды. В реакторе 9 газ СО₂ и газ Н₂ взаимодействуют с образованием продуктов связывания СО₂, например метанола (СН₃ОН). Поэтому газ СО₂, возвращенный из атмосферы, связывается в состояние, не способствующее глобальному потеплению, и, кроме того, он переводится в метанол, который может быть использован в качестве топлива.

Вышеприведенная общепринятая система связывания СO₂ имеет серьезный недостаток, состоящий в том, что при получении водорода посредством электролитического процесса необходимо большое количество электрической энергии. Подсчитано, что более 90% от общего количества энергии, расходуемой при работе общепринятой системы связывания СО₂, потребляется в генераторе водорода 8. Текущие расходы для такой системы связывания CO₂ являются обычно очень высокими, за исключением того случая, когда цена электричества является очень низкой. Другой недостаток системы состоит в том, что в целом она незначительно уменьшает выделение СО₂. В некоторых странах значительную часть электричества генерируют термически. На теплоэлектростанции для генерирования высокотемпературного пара сжигают природное топливо, например нефть, каменный уголь или природный газ, вследствие этого неизбежно генерируется большое количество CO₂.

Поэтому предлагалась следующая система. Часть системы связывания CO₂, включающую генератор водорода, помещали на местность (или территорию), где находился стабильный дешевый источник электричества и где его генерировали посредством способа иного, чем сжигание ископаемого топлива, например, посредством гидравлического генератора или солнечных батарей. Газ CO₂, полученный из атмосферы и сжиженный на других площадях, транспортировали в цистернах или других емкостях к месту, где сжиженный СО₂ взаимодействовал с водородом с получением метанола. Затем метанол обычно транспортировали обратно на участки источника СО₂.

Вышеописанную систему разделения трудно себе отчетливо представить на практике потому, что СО₂ не получают вблизи его источника выделения, а сжиженный СО₂ и его связанный продукт необходимо транспортировать к отдаленному месту, что приводит к увеличению эксплуатационных затрат.

Сущность изобретения.

Целью настоящего изобретения является уменьшение энергетических расходов за счет отсутствия необходимости транспортировки СН₄ или H₂, создание безотходной замкнутой технологии за счет высокой степени превращения, получение полезного продукта - чистого углерода в виде сажи, которая может быть использована в промышленности.

Другой целью настоящего изобретения является выработка электрической энергии благодаря использованию теплоты реакций и использование ее в предлагаемой системе.

Это достигается объединением процесса переработки органических отходов путем ферментации с получением метана, который затем разлагают до углерода и водорода, с процессом связывания СО₂, выделяемого из любого источника СО₂, с помощью водорода, полученного в процессе ферментации.

Система в соответствии с настоящим изобретением представляет собой систему связывания углекислого газа, присутствующего в атмосфере или в отработанном газе, которая включает:
- ферментатор для анаэробной ферментации органических отходов и для выделения метана,
- реактор для получения водорода и разложения метана, полученного в ферментаторе;
- реактор связывания для осуществления реакции между водородом, полученным в реакторе для получения водорода, и углекислым газом, содержащимся в атмосфере или в отработанном газе, и получения углерода в твердом состоянии и воды.

В заявленной и описанной выше системе связывания СО₂ водород, необходимый для связывания углекислого газа, получают не электролитическим способом, а путем разложения метана, который получают при анаэробной ферментации органических отходов. Таким образом, количество электрической энергии, необходимой для системы, значительно уменьшается, поэтому система может быть близко размещена к местам источника СО₂ даже в том случае, если цена электричества в таких местах будет высокой.

Поскольку количество электрической энергии, потребляемой системой, значительно уменьшается, общая эффективность превращения СO₂ заметно возрастает.

С помощью этой системы можно также уменьшить количество других вредных веществ, неизбежно выделяющихся в результате работы теплоэлектростанций, на которых для генерирования электричества сжигают природное топливо.

Система связывания СO₂ может дополнительно включать первый теплообменник, в который возвращают тепло из отходящего газа. Возвращенное тепло может быть подано в ферментатор для ускорения реакции ферментации.

Система связывания СO₂ может дополнительно включать второй теплообменник, в который возвращают тепло из реактора получения водорода. Возвращенное сюда тепло может быть также подано в ферментатор.

Тепло, полученное в первом или втором теплообменнике, может быть также использовано для генерирования электричества, которое может быть использовано для работы системы.

Краткое описание рисунков
Фиг. 1 представляет собой блок-схему системы связывания CO₂, представляющей настоящее изобретение.

Фиг. 2 представляет собой блок-схему другой системы связывания CO₂, представляющей настоящее изобретение.

Фиг. 3 представляет собой блок-схему системы, добавленной к реактору связывания CO₂ для предотвращения старения ее катализатора.

Фиг.4 представляет собой блок-схему другой такой системы.

Фиг.5 представляет собой блок-схему общепринятой системы связывания CO₂.

Подробное описание предпочтительных вариантов
Первая система связывания CO₂, представляющая настоящее изобретение, будет описана со ссылкой на фиг. 1. Система связывания CO₂ включает теплообменник 2, емкость для анаэробной ферментации 3, отделитель метана 4, реактор разложения метана 5, отделитель CO₂ 6 и реактор связывания CO₂ 7.

Газ, подаваемый от источника CO₂ 1, например с теплоэлектростанции или промышленной установки, протекает через теплообменник 2. Поскольку такой отработанный газ получается при сжигании природного топлива, его температура обычно является очень высокой, например около 350^oС. В теплообменнике 2 тепло отходящего газа поступает в воздух, который протекает через другую часть теплообменника 2, вследствие этого из отработанного газа возвращается значительное количество тепла. После теплообменника отработанный газ, температура которого теперь является низкой и составляет около 50^oC, поступает в отделитель CO₂ 6, а нагретый воздух направляют в емкость для анаэробной ферментации 3.

Органические отходы удаляют, в основном, из сточных вод. Такие органические отходы или органические отходы из других источников время от времени подают в емкость для анаэробной ферментации 3 и после этого добавляют анаэробные бактерии, например метановые бактерии, вследствие чего органические отходы подвергаются ферментации. Когда ферментацию проводят в отсутствие кислорода, углекислый газ генерируется лишь в незначительной степени, но при этом получают большие количества метана и сероводорода. Такую анаэробную ферментацию наиболее эффективно осуществляют при температуре около 60^oС. Вот почему для поддержания емкости анаэробной ферментации 3 при такой температуре используют тепло, возвращенное из отработанного газа в теплообменник 2, или теплоту реакции, происходящей в реакторе связывания СO₂ 7, который будет описан позже.

Газ, полученный в емкости для анаэробной ферментации 3 и содержащий метан, направляют в отделитель метана 4, в котором экстрагируется и концентрируется только метан. Для такой экстракции и концентрирования могут быть использованы различные методы, такие как применение осмотической мембраны, которая обеспечивает селективное пропускание молекул газа через мембрану, и адсорбента, который селективно адсорбирует молекулы газа, и т.д.

Концентрированный метан поступает в реактор разложения метана, где метан при высокой температуре и с использованием металлического катализатора, например никелевого, разлагается в соответствии со следующей реакцией:
СН₄ --> 2H₂+С.

Полученный таким образом водород поступает в реактор связывания СO₂ 7, а углерод выделяют в виде порошка.

Тем временем в отделителе СО₂ 6 экстрагируют и концентрируют углекислый газ точно так же, как в описанном выше отделителе метана 4 экстрагируют и концентрируют метан.

Водород, поступающий из реактора разложения метана 5, и углекислый газ, поступающий из отделителя СО₂ 6, встречаются в реакторе связывания 7, где происходит следующая реакция в присутствии катализатора:
СО₂ + 2Н₂ --> С + 2Н₂О.

Для инициирования вышеприведенной реакции окружающую температуру следует поддерживать при значении более чем несколько сотен градусов, но как только реакция начнется, ее продолжают без нагрева, потому что она протекает с выделением тепла. В результате протекания реакции выделяется избыточное количество тепла. Тепло, полученное в результате реакции, может быть подано в реактор разложения метана 5 или в емкость анаэробной ферментации 3, для непрерывной работы которых, как описание выше, требуется тепло. Воду, полученную в реакторе связывания СО₂ 7, отфильтровывают, а углерод получают в виде тонкодисперсного порошка.

Таким образом, путем введения отработанного газа из источника СО₂ 1 в систему непрерывно получают чистый углерод. Полученный углерод может быть использован в виде промышленной углеродной сажи.

Полученный в реакции тонкодисперсный углеродный порошок обладает склонностью покрывать поверхность частиц катализатора (который обычно находится в виде частиц) и уменьшать его катализирующую способность. Поскольку указанное выше может также уменьшить эффективность всей системы связывания CO₂, в реактор связывания СО₂ 7 предпочтительно включить следующую дополнительную систему. На фиг. 3 показана одна из таких систем. Углекислый газ из отделителя СО₂ 6 и H₂ из реактора разложения метана 5 смешивают под давлением в компрессоре 15, и смесь направляют в реактор 12. Перед подачей в реактор 12 смешанный газ нагревают посредством теплообменника 13, как будет описано позже. В реакторе 12 содержатся частицы катализатора 21, расположенные на пористой пластине 20. Когда в реактор 12 из-под пористой пластины 20 посредством компрессора 15 подают смешанный газ, частицы катализатора 21 продуваются и образуют псевдоожиженный слой, в котором взаимодействуют, как описано выше, СО₂ и Н₂. Полученные в результате реакции водяной пар, а также непрореагировавшие углекислый газ и водород выделяются из верхней части реактора 12 и поступают в конденсатор 14, где их конденсируют в воду и дренируют. Поскольку температура водяного пара вследствие теплоты реакции является очень высокой, теплоту используют для нагрева смеси СО₂/Н₂ в теплообменнике 13. После удаления воды отработанный газ из реактора 12, содержащий непрореагировавший СО₂ и Н₂, опять подают посредством компрессора 15 в реактор 12.

Полученный в результате реакции в реакторе 12 тонкодисперсный порошок оседает на поверхности частиц катализатора 21. При надлежащей работе компрессора 15 поток смеси СО₂/Н₂, поступающей в реактор 12, регулируют таким образом, чтобы часть частиц катализатора 21 попала в реактор 12 и затем в сепаратор углерода 16. В сепараторе углерода 16 посредством центрифугирования или фильтрации углеродный порошок отделяют от частиц катализатора 21, и частицы катализатора 21 посредством воздуходувки 17 возвращают в реактор 12, в котором в это же самое время протекает реакция.

Другой пример такой системы показан на фиг.4. В этой системе не применяют сепаратор углерода 16 предыдущей системы, но при этом воздуходувка 30 соединяет нижнюю часть псевдоожиженного слоя частиц катализатора 21 и верхнюю часть реактора 12. Циркулирующий поток частиц катализатора 21 и газ воздуходувки 30 перемешивают псевдоожиженный слой в реакторе 12, вследствие этого углеродный порошок, осевший на поверхности частиц катализатора 21, посредством центробежной силы удаляется и выводится из донной части реактора 12.

Очевидно, что в свете вышеприведенных доводов возможны различные модификации и варианты настоящего изобретения. Поэтому следует понимать, что на практике могут быть использованы иные варианты, находящиеся в объеме приложенной формулы изобретения, чем те, которые здесь описаны. Далее приведен пример такой модификации.

Поскольку система включает насосы для потока газа и другие работающие машины, она потребляет электрическую энергию, которую необходимо подавать извне. Часть электрической энергии, необходимой для системы, можно получить в самой системе, и количество электрической энергии, поданной извне, за счет применения теплоты реакции, возвращенной в теплообменник 2 или полученной в реакторе связывания СO₂ 7, можно уменьшить. Схема фиг.2 показывает пример такой системы, в которой в систему для получения электричества с применением высокотемпературного водяного пара, полученного в теплообменнике 2 или полученного в реакторе связывания СO₂ 7, включают термогенератор 10.

Изобретение может быть использовано для охраны окружающей среды. Газ из источника СО₂ 1, например из атмосферы или отработанный газ, пропускают через первый теплообменник 2 и подают в отделитель СО₂ 6. Органические отходы, например, из сточных вод подают в емкость для анаэробной ферментации 3. Для поддержания необходимой температуры в емкости 3 используют тепло из теплообменника 2 или теплоту реакции, протекающей в реакторе связывания СО₂ 7. Метан, полученный в емкости для анаэробной ферментации 3, направляют в отделитель метана 4 и затем в реактор для разложения метана 5. В реакторе 5 метан в присутствии металлического катализатора разлагают по реакции СН₄ --> 2Н₂+С. Полученный водород поступает в реактор связывания СО₂ 7. Углерод в виде сажи направляют для использования в промышленности. В реакторе связывания СО₂ 7 в результате реакции между водородом из реактора 5 и СО₂ из отделителя 7 в присутствии катализатора образуется вода и углерод в виде сажи, который можно использовать. Система может дополнительно включать второй теплообменник для возвращения тепла из реактора 7 в емкость 3 и/или в реактор 5, а также генератор для выработки электроэнергии, которую можно использовать в предложенной системе. Изобретение позволяет создать безотходную замкнутую технологию за счет высокой степени превращения, утилизировать отходы, снизить энергетические расходы. 4 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Система связывания диоксида углерода (СО₂) из источника СО₂, включающая средства ферментации для анаэробной ферментации органических отходов и получения газообразного метана, средства получения газообразного водорода путем разложения газообразного метана, полученного с помощью средств ферментации по реакции СН₄ = 2Н₂+С с использованием металлического катализатора, и средства связывания для осуществления реакции между полученным выше водородом и СО₂ из источника СО₂ с получением углерода и воды.2. Система связывания СО₂ по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно включает первый теплообменник для возвращения тепла из нагретого источника СО₂, вследствие чего возвращенное тепло направляют в средства ферментации.3. Система связывания СО₂ по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит второй теплообменник для возвращения тепла из средств связывания, вследствие чего возвращенное тепло направляется в средства ферментации и/или в средства разложения газообразного метана.4. Система связывания СО₂ по п.2, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит генератор электрической энергии для генерирования электричества из возвращенного тепла, вследствие чего электричество используется для работы системы.5. Система связывания СО₂ по п.3, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит генератор электрической энергии для генерирования электричества возвращенного тепла, вследствие чего электричество используют для работы системы.