СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБОГАЩЕННОГО ВОДОРОДОМ ТОПЛИВА ПОСРЕДСТВОМ РАЗЛОЖЕНИЯ МЕТАНА НА КАТАЛИЗАТОРЕ ПРИ МИКРОВОЛНОВОМ ВОЗДЕЙСТВИИ Российский патент 2011 года по МПК B01J19/08 B01J8/06 C10L3/06 

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Данное изобретение относится к производству водородного топлива и, в частности, к способу и установке для получения топлива, обогащенного водородом, подходящего для использования в качестве альтернативного получения топлива.

Предшествующий уровень техники

[0002] Альтернативный вариант газового топлива, к примеру, водородного топлива или топлива на естественном газе, благодаря тому, что оно полностью сгорает, рассматривается как целесообразный вариант для использования в двигателях автомобилей. Были разработаны различные способы получения водорода. В числе таких способов можно указать электролиз, достаточно экзотический способ расщепления воды, выделение водорода из промышленных стоков.

[0003] Водород также можно получать путем риформинга из естественного газа. В основном, процесс преобразования углеводородного топлива, к примеру, метана, пропана или естественного газа, в водородное топливо с высоким уровнем чистоты предусматривает выполнение нескольких этапов. Процесс преобразования, как правило, состоит из следующих этапов: (1) генерация синтез-газа, (2) реакция перехода вода-газ, (3) очистка газа (к примеру, удаление СО и СО₂). Поток газообразного водорода можно использовать в различных целях, в том числе в смеси с другими газами для получения альтернативного топлива.

[0004] К примеру, особо чистый вариант газового топлива, известный под названием ГИТАН (HYTHANE), состоит из смеси водорода и естественного газа. Первая часть слова «Hy» в названии HYTHANE соответствует части слова водород (hydrogen). Для второй части слова "thane" использована вторая часть слова в названии methane, т.е. газа, который является основным компонентом естественного газа. Название HYTHANE - это зарегистрированная марка компании Brehon Energy PLC. Как правило, соединение HYTHANE от 5% до 7% водорода по обеспечению энергией, что соответствует от 15%-20% водорода по объему.

[0005] Для производства водорода в одном из типов риформинг-установок, так называемой паровой риформинг-установкой, используется углеводородное топливо и пар (H₂O). В паровой риформинг-установке углеводородное топливо реагирует в нагретой реакторной трубке, содержащей пар (Н₂О) и один или несколько катализаторов. В основном для получения водородного газа высокой частоты путем риформинга требуется высокая температура (800-900°С). Кроме того, при паровом риформинге генерируются примеси - в основном СО и CO₂; если их не удалить, в конечном итоге они приведут к выбросу в атмосферу.

[0006] Для производства водородного газа высокой частоты способом риформинга требуются большие капиталовложения на оборудование и большие производственные затраты, в основном, на энергию. Помимо указанных выше недостатков, для реализации процесса парового риформинга очень сложно разработать компактное оборудование. Для установки производства водорода было бы целесообразно использовать достаточно компактную установку так, чтобы альтернативное топливо можно было получать на установке размером с газозаправочную станцию, а не с нефтеперерабатывающий завод.

[0007] Другим вариантом получения водорода из естественного газа является тепловое разложение метана. К примеру, метан разлагается на составные части с выделением водорода в результате следующей реакции: CH₄=С+2Н₂.

К примеру, тепловое разложение естественного газа использование в процессе «получения термической сажи» для получения углеродной сажи и водорода. При использовании способа термического разложения для получения одного моля водорода (37.8 кДж/моль Н₂) требуется значительно меньше энергии по сравнению с реализацией способа парового риформинга (63.3 кДж/моль Н₂). Однако для выполнения этого процесса требуются высокая температура (порядка 1400°С), значительные затраты на оборудование и большие затраты на обеспечение энергией.

[0008] В последнее время проводились исследования по термическому разложению естественного газа в сочетании с различными катализаторами, поддерживающие проведение реакции при более низкой температуре. К примеру, в патенте США N 7001586 В2 (изобретатели Ванг и др. (Wang et al.)) описан процесс разложения метана на углерод и водород, в котором используются два катализатора, имеющие следующие формулы Ni_xMg_yO и Ni_xMg_yCu_zO, соответственно. В первом случае требуется более низкая температура порядка 425°С-625°С, но в этом случае жизненный цикл короче и активность ниже. Во втором случае жизненный цикл длиннее и активность выше, но также выше и температура, необходимая для обеспечения реакции, она должна быть порядка 600°С-775°С. Но в обоих случаях более существенно то, что для поддержания реакции требуются более высокие расходы на энергию, энергия требуется для нагревания стенок реактора, газа и катализаторов.

[0009] Было бы целесообразно иметь в своем распоряжении систему производства топлива, обогащенного водородом, которая могла бы работать при низких температурах и при низких затратах на обеспечение энергией, и использованием различных катализаторов, активность которых сохранялась бы в течение длительного времени, при минимальных выбросах углерода (к примеру, СО, CO₂). Кроме того, было бы целесообразно, чтобы системе, обеспечивающая производство топлива, обогащенного водородом, была совместима по размеру и конфигурации с другими установками производства топлива на водороде. Настоящее изобретение направлено на разработку такого способа и установки производства топлива, обогащенного водородом, которые позволили бы преодолеть недостатки предыдущих систем производства водорода.

[0010] Приведенные выше примеры, описывающие ограничения ранее использованных способов, даны только в качестве иллюстрации общей картины и отнюдь не являются единственными. Для тех кто имеет навык в чтении спецификаций и чертежей, ограничения использованных ранее способов будут более очевидны. Точно также, конструктивные решения и связанные с ними рабочие аспекты, которые проиллюстрированы и описаны в связи с предложенными способами и системой, приведены в качестве примеров и иллюстраций, но не ограничиваются ими.

Краткое изложение сущности изобретения

[0011] Способ производства топлива, обогащенного водородом, предусматривает выполнение ряда этапов, обеспечивающих подачу потока метанового газа, использование катализатора, выборочный нагрев катализатора, а не стенок реактора, и метанового газа путем микроволнового облучения заданной мощности, подачу метанового газа на катализатор, контроль мощности микроволнового источника для получения конечного продукта заданного состава.

[0012] Для реализации данного способа можно использовать реактор, стенки которого пропускают микроволновое излучение. Кроме того, в состав катализатора может входить металл, к примеру, соединения на базе Ni, полученные путем соосаждения. На поверхности катализатора происходят реакции, в результате метан разделяется на водород (Н₂) углерод (С) в твердом волокнистом виде. Кроме того, часть метанового газа не вступает в реакцию, в результате чего в состав конечного продукта входят метан и водород. При выборе катализатора необходимо учесть, чтобы он оставался стабильным и активным при установленных рабочих условиях (к примеру, скорости подачи газа, мощности микроволнового излучения, количества катализатора), при этом затраты должны быть минимизированы. Кроме того, катализатор должен сохранять активность в течение длительного времени проведения реакций.

[0013] Поток метанового газа и мощность микроволнового источника следует регулировать таким образом, чтобы состав газа, полученного в виде конечного продукта, приближался к химическому составу гитана (HYTHANE). К примеру, в состав полученного газа по объему может входить примерно 20% до 30% водорода и от 70% до 80% метана. Предпочтительно, чтобы полученный газ почти не содержал примесей углерода (к примеру, СО, СО₂), поскольку углерод, содержащийся в конвертированном метане, в основном удаляется в виде твердого волокнистообразного углерода, являющегося полезным побочным продуктом. Кроме того, в конечном продукте должно содержаться пренебрежимо малое количество высших углеводородов (к примеру, С₂Н₄, С₂Н₂, С₃Н₆, С₃Н₈, С₃Н₄).

[0014] В состав установки для производства топлива, обогащенного водородом, входит источник метанового газа такой конфигурации, которая обеспечивает подачу метанового газа. В состав установки входит также реактор с реакторной камерой, подсоединенной к источнику метанового газа и имеющей конфигурацию, позволяющую установить катализатор и обеспечивающую циркуляцию метанового газа, контактирующего с катализатором. В состав установки также входит источник микроволнового излучения такой конфигурации, которая обеспечивает нагревание катализатора в реакторной камере, в результате чего газ с заданным содержанием объемов водорода и метана (в %).

[0015] При использовании альтернативной конструкции для реализации предлагаемого способа полученный газ подвергается дальнейшей обработки для рекупирования водорода в более чистом виде. Для того чтобы рекупировать водород в более чистом виде, полученный газ можно пропустить в вакууме через мембрану из Pd/Ag, покрытую пористым металлом или керамикой.

Краткое описание чертежей

[0016] Приведенные конструктивные решения, сопровождаемые обозначениями, приведены на чертежах. Приведенные чертежи и пояснения к ним следует рассматривать только как иллюстративный материал и не ограничиваться этим.

[0017] Фиг.1 представляет собой блок-схему, на которой указаны этапы, которые должны быть выполнены для получения топлива, обогащенного водородом.

[0018] На фиг.2 приведен эскизный чертеж установки, обеспечивающей получение топлива, обогащенного водородом.

[0019] На фиг.3 приведены графики, иллюстрирующие конверсию СН₄, содержание Н₂, и образование углерода в зависимости от времени проведения эксперимента для примера 1, с использованием катализатора Ni54Cu27Al; и

[0020] На фиг.2 приведен эскизный чертеж установки, обеспечивающей получение топлива, обогащенного водородом с использованием катализатора Ni81Al.

Детальное описание предпочтительных конструктивных решений

[0021] В данном изобретении используются следующие определения. Гитан (HYTHANE) - вариант топлива, обогащенного водородом и метаном и содержащего примеси, входящие в состав водорода и естественного газа.

[0022] Остаток метана - метан, проходящий через систему и не участвующий в реакции.

[0023] Микроволновое излучение - электромагнитное излучение в диапазоне от 0.3 до 300 ГГц.

Способ

[0024] На фиг.1 приведены этапы, которые выполняются при реализации способа по производству топлива, обогащенного водородом. На первом этапе предусматривается «обеспечение подачи метанового газа на заданной скорости». К примеру, метановый газ может в форме чистого метанового газа. Также метановый газ может быть в форме естественного газа, полученного из месторождения горючих полезных ископаемых. Как правило, в естественном газе содержится около в 90+% метана, кроме метана в нем присутствуют в небольшом количестве этан, пропан, высшие углеводороды и «инертные соединения» типа двуокиси углерода или азот. Кроме того, метановый газ можно поставлять в баке (или подавать по трубопроводу) при заданных температуре и давлении. Предпочтительно, чтобы подаваемый метановый газ имел комнатную температуру (порядка 20-25°С) и чтобы он подавался при атмосферном давлении (в 1 атмосферу). Кроме того, подачу метанового газа можно выполнять с заданной скоростью. В примерах, приведенных далее, подача метанового газа выполняется со скоростью примерно 120 мл/мин (при нормальных условиях).

[0025] На фиг.1 также показано, что в состав способа входит этап «обеспечения катализатором». Предпочтительно, чтобы катализатор имел форму частиц диаметром от 74-140 µм. Кроме того, предпочтительно, чтобы катализатор был размещен в держателе, что даст возможность метановому газу свободно проходить по поверхностям частиц катализатора. Также катализаторы в виде окислов металлов можно предварительно обработать с помощью Н₂, что снизит степень окисляемости металла.

[0026] В качестве предпочтительного металла для катализатора используется Ni или сплав, содержащий Ni. К примеру, в качестве металла можно использовать NiAl или Ni с добавками Cu, Pd, Fe, Со, или окиси типа MgO, ZnO, MO₂O₃ или SiO₂. К особым катализаторам относятся Ni100, Ni81Al, Ni93Al, Ni77Cu16Al, Ni54Cu27Al и Ni83Mg6Al. Кроме того, исходный материал для катализаторов на базе никеля можно приготовить путем соосаждения из водного раствора нитратов и углекислого натрия

[0027] В таблице 1 приведены данные, касающиеся подготовки катализатора на основе исходных материалов на базе никеля. Указанные катализаторы можно приготовить путем соосаждения из водного раствора нитратов и углекислого натрия.

Таблица 1 Подготовка катализатора Состав катализатора Ni81Al 81.% веса NiO - 19% веса Al₂O₃ Ni93Al 93% веса NiO - 7.% веса Al₂O₃ Ni77Cu16Al 77% веса NiO - 16.% веса CuO - 7% веса Al₂O₃ Ni54Cu27A 54% веса NiO - 27.% веса CuO - 9% веса Al₂O₃ Ni83Mg6Al 83.% веса NiO - 6% веса MgO - 11.% веса Al₂O₃

[0028] Но, кроме никеля или сплава с никелем в качестве катализатора можно использовать другой металл, к примеру, металл из группы VIII периодической таблицы, в том числе Fe, Co, Ru, Pd и Pt. В любом случае катализатор можно выбрать и обработать так, чтобы он оставался стабильным в течение длительного времени при проведении реакций. В примерах, приведенных далее, не приводится указаний на то, что катализатор становился неактивным после того, как он участвовал в реакции в течение 16 часов проведения реакции.

[0029] На фиг.1 также показано, что в состав способа входит этап «нагревания катализатора с применением микроволнового излучения заданной мощности». Этот этап можно выполнить с помощью микроволнового генератора и циркулятора, конфигурация которых обеспечивает облучение катализатора микроволнами. В основном, катализатор может поглощать микроволновое излучение с помощью механизмов релаксации (к примеру, дипольных процессов, переходах ионов, активных потерях); нагревание металла катализатора выполняется выборочно, стенки реакторной камеры и метановый газ не нагреваются, в результате обеспечивается существенная экономия потребления энергии.

[0030] Нагревание катализатора за счет микроволнового излучения обеспечивает следующие преимущества:

а) нагревание всего объема происходит быстро;

b) выборочно нагревается катализатор, а не стенки реактора и метановый газ, что повышает эффективность процесса;

с) низкий температурный градиент;

d) точка локального нагрева, что не допускает дальнейшей реакции;

е) на каталитическую реакцию можно оказать влияние путем изменения электронных свойств катализатора в электромагнитном поле микроволнового излучения.

[0031] В приведенных далее примерах генератор работал с мощностью порядка 250 Вт, и катализатор нагревался до температуры порядка 600-700°С. Тем не менее, очевидно, что данный способ можно использовать при такой мощности генератора, которая требуется для получения конечного продукта заданного состава. К примеру, для микроволнового генератора типичным диапазоном может быть диапазон от 150 Вт до 300 Вт. В приведенных далее примерах микроволновый генератор работал на частоте 2.45 ГГц. Для обеспечения микроволнового излучения реактор и держатель катализатора следует изготовить из материала, пропускающего микроволновое излучение и способного выдерживать высокие температуры. В качестве такого материала можно использовать кварц.

[0032] На фиг.1 также показано, что в состав способа входит этап «подачи потока метанового газа на катализатор». Этот этап можно выполнить, поместив катализатор в реактор, стенки которого пропускают микроволновое излучение. Реактор должен быть оборудован реакторный камерой, конфигурация которой обеспечивает размещение катализатора и подачу метанового газа на катализатор.

[0033] На фиг.1 также показано, что в состав способа входит этап «контроля микроволнового излучения при заданной скорости подачи с тем, чтобы обеспечить получение конечного продукта заданного состава». Этот этап можно выполнить с помощью микроволнового генератора, снабженного средствами управления подаваемой мощности.

Установка

[0034] На фиг.2 приведена установка 10 производства топлива, обогащенного водородом, в соответствии с описанным выше способом. В состав установки 10 входит реактор 12 и микроволновый генератор 14. Кроме того, в ее состав также входят источник метана 16, источник водорода 18, и источник подачи инертного газа 20, подсоединенные к реактору 12.

[0035] Реактор 12 (фиг.2) может состоять из обычного трубчатого реактора, изготовленного из материала, пропускающего микроволновое излучение, к примеру, из кварца. Кроме того, в состав реактора 12 входит герметичная технологическая камера 22 с выходным отверстием 26, связанным с системой подачи материала с помощью трубопровода подачи 24.

[0036] Подающий трубопровод 24 (фиг.2) связан с системой подачи с метана 28; соединение обеспечивается муфтой трубопровода 30, которая включена в систему подачи с помощью установки подачи метана 16. Кроме того, подающий трубопровод метана оснащен контроллером массового потока метана 32, конфигурация которого обеспечивает дистанционное управление потоком метанового газа в реакторную камеру 22 и отключением клапанов 34, 36 на любой стороне контроллера массового потока метана 32. В приведенном в качестве иллюстрации конструктивном решении представлена конфигурация установки подачи метана, обеспечивающей подачу чистого метана 16. Но совершенно очевидно, что в состав описанной установки можно включить систему 10, и что данный способ можно применять при использовании других источников метана, к примеру, естественного газа.

[0037] Подающий трубопровод 24 (фиг.2) связан с трубопроводом подачи водорода 38; соединение обеспечивается муфтой трубопровода 40, которая включена в систему подачи с помощью трубопровода подачи водорода 18; соединение обеспечивается муфтой трубопровода 40, которая соединена с источником подачи водорода 18. Трубопровод подачи водорода 38 оснащен игольчатым клапаном 42, конфигурация которого дает возможность вручную регулировать подачу потока водородного газа в реакторную камеру 22 и расходомером 44, конфигурация которого дает возможность измерять поток водорода.

[0038] Подающий трубопровод 24 (фиг.2) связан с системой подачи материала с помощью трубопровода подачи инертного газа 46, соединенного с источником подачи инертного газа 20. В состав инертного газа может входить Ar или любой другой инертный газ, к примеру, Не или Ne. В трубопроводе подачи инертного газа 46 также предусмотрен контроллер массового потока инертного газа 48, конфигурация которого обеспечивает дистанционное управление подачей потока инертного газа в реакторную камеру 22, и отключение клапанов 50, 52 на любой стороне контроллера массового потока инертного газа 48. Трубопровод подачи инертного газа 46 также можно использовать для очистки реакторной камеры 22.

[0039] Помимо реакторной камеры 22 (фиг.2), в состав реактора 12 входит держатель, для которого выбрана такая конфигурация, чтобы он мог удерживать катализатор 56 в реакторной камере 22. Также как реактор 12 и стенки реакторной камеры 22, держатель 54 изготовлен из материала, пропускающего микроволновое излучение. Кроме того, держатель имеет чашеобразную форму с отверстиями, благодаря чему поток газа проходит через держатель 54 и вокруг катализатора 56. У держателя 54 имеется ручка 58, что дает возможность извлечь держатель 54 и катализатор 56 из реакторной камеры 22.

[0040] В реакторе 12 (фиг.2) также имеется выпускное отверстие 60, через которое происходит связь с реакторной камерой 22. Для выпускного отверстия 60 реактора 12 выбрана такая конфигурация, которая обеспечивает вывод газа, образовавшегося в реакторной камере 22. Выпускное отверстие 60 реактора 12 соединено с газовым хроматографом 62, конфигурация которого обеспечивает выполнять анализ химического состава полученного газа, который поступает из реакторной камеры 22. Кроме того, газовый хроматограф 62 соединен с вентиляционным отверстием 64, для которого выбрана такая конфигурация, которая обеспечивает вывод полученных газов в атмосферу после выполнения анализа. Выпускное отверстие 60 реактора 12 можно также соединить с баком хранения полученного газа 66, для которого выбрана такая конфигурация, которая обеспечивает хранение полученного газа для дальнейшего использования.

[0041] Микроволновый генератор 14 (фиг.2) установки 10 имеет такую конфигурацию, которая обеспечивает подачу микроволнового излучения через микроволновый циркулятор 68 и через трехступенчатый согласующийся шлейф 70 на катализатор 56, размещенный в держателе 56 в реакторной камере 22. В состав микроволнового циркулятора входит установка охлаждения 72. Кроме того, конфигурация регулировочной пробки 74 микроволнового циркулятора дает возможность производить дистанционную регулировку отраженной мощности микроволнового генератора 14.

[0042] В состав систему 10 (фиг.2) также входит инфракрасный датчик температуры 76, конфигурация которого позволяет измерять температуру катализатора 56.

Пример 1

[0043] С помощью ранее описанного способа (фиг.1) и ранее описанной установки 10 (фиг.2) топливо, обогащенное водородом и содержащее CH₄ and Н₂, было получено при следующих условиях.

А. Чистый метановый газ (чистота 99.7%) поступал в реактор 12 по трубопроводу подачи метана 28 (фиг.12).

В. Скорость подачи метанового газа (т.е. скорость, указанная на фиг.1) была равна 120 мл/мин.

С. В качестве катализатора 56 использовалось соединение Ni54Cu27Al.

D. Катализатор 56 (фиг.2) был восстановлен в течение нескольких минут в плазме H₂ при мощности микроволнового излучения 160 Вт. Для восстановления катализатора 56 (фиг.2) поток газа Н₂ подавали по трубопроводу подачи водорода 38 (фиг.2) в реакторную камеру 22 (фиг.2) и облучали микроволновой энергией, поступающей с микроволнового генератора 14 (фиг.2) для образования плазмы.

Е. Давление при протекании реакции: атмосферное (1 атмосфера).

F. Полученные продукты (топливо, обогащенное водородом): Н₂, твердый углерод С и не участвующее в реакции соединение СН₄, СН₄=С+2Н₂. Данные сканирования электронным микроскопом твердого углерода показывают, что углерод имеет волокнистую форму, а не представлен в идее сажи. Кроме того, волокнистый углерод является полезным побочным продуктом, который можно использовать для других целей.

G. Микроволновая мощность, подаваемая на катализатор: 250 Вт.

Н. Конверсия метана: приблизительно 20%.

I. Количество метана, не вступившего в реакцию,: приблизительно 80%.

J. Скорость получения H₂: примерно 48 Мл 1/мин при стабильных условиях.

K. В примере 1 энергия использовалась только на нагревание катализатора. Поэтому процесс был эффективным с точки зрения энергопотребления.

[0044] На фиг.3 приведены результаты конверсии СН₄, полученные в результате нагревания Ni54Cu27Al, используемого в качестве катализатора 56, с помощью микроволнового излучения (фиг.2). В примере 1 был описан непрерывный процесс. На фиг.3 время, указанное в часах, определяет продолжительность проводимого процесса.

[0045] На фиг.3 приведены три графика. На нижнем графике приведена зависимость между скоростью конверсии «X %» для СН₄ (указанной на оси «y») (выраженной в процентах объема) и продолжительностью реакции в часах, указанной на оси «х».. На среднем графике приведена зависимость между содержанием «С %» в Н₂ (указанном на оси «y») (выраженном в процентах объема) и продолжительностью реакции в часах (указанной на оси «х»). На верхнем графике приведена зависимость между количеством твердого углерода (в г) (указанного на оси «y») и продолжительностью реакции в часах (указанной на оси «х»).

Пример 2

[0046] В примере 2 описаны результаты, полученные в тех же условиях, которые были описаны в примере 1, но в качестве катализатора использовалось соединение, содержащее Ni81Al, a не Ni54Cu27Al.

[0047] На фиг.3 приведены результаты конверсии СН₄, полученные в результате нагревания соединения Ni81Al, которое использовалось в качестве катализатора 56 (фиг.2). В примере 2 был описан непрерывный процесс. На фиг.4 время, указанное в часах, определяет продолжительность проводимого процесса.

[0048] На фиг.4 приведены три графика. На нижнем графике приведена зависимость между скоростью конверсии «X %» для СН₄ (указанной на оси «y») (выраженной в процентах объема) и продолжительностью реакции в часах, указанной на оси «х». На среднем графике приведена зависимость между содержанием «С %» в Н₂ (указанном на оси «y») (выраженном в процентах объема) и продолжительностью реакции в часах (указанной на оси «х»). На верхнем графике приведена зависимость между количеством твердого углерода (в г) (указанного на оси «y») и продолжительностью реакции в часах (указанной на оси «х»).

[0049] По данным двух приведенных примеров был сделан вывод, полученный газ, содержащий 30% Н₂ общего объема, можно производить непрерывно и стабильно путем нагревания катализатора Ni54Cu27Al от микроволнового источника излучения. Конечный продукт с содержанием 20% Н₂ общего объема также можно получать непрерывно и стабильно путем нагревания катализатора Ni81Al от микроволнового источника излучения.

Альтернативное конструктивное решение для производства чистого водорода

[0050] Альтернативное конструктивное решение для реализации предлагаемого способа предусматривает выполнение дополнительного этапа дальнейшей обработки конечного продукта для восстановления водорода в более чистой форме. Один из способов восстановления чистого водорода сводится к тому, что конечный продукт в условиях вакуума проходит через мембрану Pd/Ag, покрытую пористым металлом или керамическим покрытием. В патенте США N 6165438 (заявитель Willms et al.), который указан в ссылке, описан прибор и способ восстановления водорода из газа, содержащего углеводороды.

[0051] Таким образом, в этой заявке описаны усовершенствованные способ и установка производства топлива, обогащенного водородом. Хотя в описании содержатся ссылки на некоторые предпочтительные конструктивные решения, но специалисты, которые имеют достаточный опыт в этой области, могут внести определенные изменения и модификации, не нарушая формулу изобретения.

Изобретение относится к производству водородного топлива. Способ производства топлива, обогащенного водородом, характеризуется наличием потока метанового газа, использованием катализатора, нагреванием катализатора с помощью микроволнового излучения, подачей метанового газа на катализатор и контролем потока метанового газа и мощности микроволнового излучения. Изобретение обеспечивает производство топлива при низких затратах, использование различных катализаторов, активность которых сохраняется длительное время, при минимальных выбросах углерода. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Способ производства топлива, обогащенного водородом, характеризующийся:
наличием потока метанового газа;
использованием катализатора, содержащего частицы металла, выбранного из группы Ni81Al, Ni93Al, Ni77Cu16Al, Ni54Cu27Al и Ni83Mg6Al и полученного путем осаждения из водного раствора нитратов и углекислого натрия;
нагреванием катализатора с помощью микроволнового излучения мощностью в диапазоне от 150 до 300 Вт;
подачей метанового газа на катализатор со скоростью 120 мл/мин и
контролем потока метанового газа и мощности микроволнового излучения для получения твердого углеродного продукта и газообразного продукта, содержащего водород и непрореагировавший метановый газ.

2. Способ по п.1, при котором твердый углерод содержит волокнистый углерод и газообразный продукт, включающий от 20 до 30 об.% водорода и от 70 до 80 об.% метана.

3. Способ по п.1, при котором катализатор до нагревания восстанавливают путем пропускания через него потока плазмы водорода.

4. Способ по п.1, при котором процесс осуществляют в присутствии катализатора, помещенного в держатель, пропускающий микроволновое излучение и обеспечивающий прохождение метанового газа через катализатор.

5. Способ по п.1, включающий дальнейшую обработку полученного газа до восстановления более чистого водорода.

6. Способ производства топлива, обогащенного водородом, включающий:
подачу метанового газа при скорости примерно 120 мл/мин;
использование катализатора, приготовленного путем осаждения из водного раствора и содержащего частицы металла;
нагревание катализатора за счет микроволнового излучения мощности от 150 до 300 Вт;
направление потока метанового газа на катализатор для конверсии по крайней мере части метана в водород и твердый углерод;
контроль потока метанового газа и мощности микроволнового излучения для получения конечного продукта, содержащего по объему от 70 до 80% непрореагировавшего метана и от 20 до 30% водорода.

7. Способ по п.6, при котором в катализаторе присутствует металл, выбранный из группы, содержащей Ni81Al, Ni93Al, Ni77Cu16Al, Ni54Cu27Al и Ni83Mg6Al.

8. Способ по п.6, при котором используют катализатор, содержащий частицы металла диаметром от 74 до 140 мкм.

9. Способ по п.6, при котором предварительное восстановление катализатора с помощью направляемого на катализатор потока водородной плазмы.

10. Способ по п.6, при котором катализатор размещают в держателе, обеспечивающем прохождение потока метанового газа через катализатор.

11. Способ по п.6, при котором восстановление катализатора выполняют в течение нескольких минут при мощности микроволнового излучения примерно 160 Вт.

12. Способ производства топлива, обогащенного водородом, включающий:
наличие трубчатого реактора, содержащего соединенную с источником метана реакторную камеру, стенки которой пропускают микроволновое излучение;
использование катализатора, содержащего металл, выбранный из группы Ni81Al, Ni93Al, Ni77Cu16Al, Ni54Cu27Al и Ni83Mg6Al;
установку катализатора в реакторной камере;
наличие генератора микроволнового излучения;
восстановление катализатора путем пропускания в течение нескольких минут водородной плазмы через катализатор и при облучении катализатора микроволновым излучением генератора с мощностью порядка 250 Вт;
подача потока метанового газа через реакторную камеру на катализатор со скоростью потока примерно 120 мл/мин при облучении микроволновым излучением мощностью 150-300 Вт для конвертирования по крайней мере части метанового газа в водород и твердый углерод;
контроль этапов восстановления катализатора, облучения и направления потока метанового газа на катализатор для получения конечного продукта, содержащего по объему 70-80% непрореагировавшего метана и 20-30% водорода;
удаление твердого углерода из газообразного продукта.

13. Способ по п.12, при котором катализатор нагревают до температуры от 600 до 700°С.

14. Способ по п.12, при котором используют катализатор, содержащий частицы металла диаметром от 74 до 140 мкм.

15. Способ по п.12, при котором 10-20% метана в метановом газе конвертируют в водород.

16. Способ по п.12, при котором твердый углерод получают в форме волокнистого углерода.

17. Способ по п.12, при котором предусматривают дальнейшую обработку полученного газа для восстановления в более чистый водород.

18. Способ по п.12, при котором предусматривают подачу полученного газа через Pd/Ag мембрану в условиях вакуума.