СИСТЕМА ОБРАБОТКИ ГОРЮЧЕГО ГАЗА И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ГОРЮЧЕГО ГАЗА Российский патент 2012 года по МПК C10L3/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение касается системы обработки горючего газа и способа обработки горючего газа для получения сжимаемого (подлежащего сжатию) горючего газа, содержащего заданный горючий газ в качестве его основного компонента, подлежащего сжиманию с помощью компрессора в сжатый горючий газ.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В качестве сжатого горючего газа, получаемого путем сжатия заданного горючего газа, известны, например, сжатый природный газ (СПГ), получаемый сжатием пригодного газа, содержащего метан в качестве его основного компонента, и сжатый водородный газ, получаемый сжатием водорода.

В последние годы автомобили, оборудованные двигателем, использующим такой сжатый горючий газ в качестве топлива, приобрели популярность с точки зрения защиты окружающей среды, так как они производят гораздо меньшие количества диоксида углерода, оксидов азота, оксидов серы, мелких частиц и т.п. по сравнению с автомобилями, оборудованными двигателями, использующими бензин или подобное в качестве топлива.

Автомобиль, движущийся на сжатом горючем газе в качестве топлива, нуждается в заправке сжатым горючим газом путем заезда на газозаправочную станцию для такого автомобиля, заезжающему на бензозаправочную станцию. И на этой газозаправочной станции сжимаемый горючий газ, содержащий горючий газ в качестве его основного компонента, сжимается с помощью компрессора до очень высокого давления (например, приблизительно 20,3 МПа (200 атм)), превращаясь в сжатый горючий газ, и этот сжатый горючий газ заряжается в бак высокого давления, установленный на автомобиле (см. патентный документ 1).

Например, угольный газ, добываемый в угольных шахтах, содержит воздушные компоненты (главным образом, азот, кислород, диоксид углерода) в добавление к метану в качестве горючего газа. Таким образом, существующие в природе горючие газы часто добывают в качестве исходных газов, содержащих воздушные компоненты в добавление к горючему газу. Чтобы эффективно использовать такие исходные газы в качестве топлива, необходимо удалить такие воздушные компоненты, содержащиеся в исходном газе, и сконцентрировать содержащийся в нем горючий газ.

Особенно если этот исходный газ превращают в сжимаемый горючий газ, который сжимают с помощью компрессора в сжатый горючий газ, применимый в качестве автомобильного топлива, например, чтобы предотвратить возникновение, например, воспламенения вследствие сжатия, необходимо удалить кислород, содержащийся в таком исходном газе до очень низкой концентрации (например, меньше чем 4%).

То есть вводится правило безопасности, которое задает верхние пределы концентрации кислорода для обеспечения безопасности при сжатии в способе получения сжатого горючего газа до 4% для таких горючих газов, как метан, исключая ацетилен, этилен и водород, и до 2% для ацетилена, этилена и водорода.

В качестве концентрирующего устройства для концентрации метана путем удаления воздушных компонентов из угольного шахтового газа известно концентрирующее устройство адсорбционного типа, использующее адсорбент, образованный из природного цеолита, который предпочтительнее адсорбирует воздушные компоненты, чем метан (см., например, патентный документ 2).

Кроме того, концентрирующий аппарат адсорбционного типа, описанный в патентном документе 2, включает в себя адсорбционную колонну, заполненную адсорбентом, предпочтительнее адсорбирующим воздушные компоненты, чем горючий газ, и данное устройство приспособлено выполнять с чередующимся повторением адсорбирующую операцию с подачей под давлением исходного газа, такого как угольный шахтовый газ, при относительно высоком давлении в адсорбционную колонну и принуждением адсорбирующего материала адсорбировать предпочтительно воздушные компоненты, содержащиеся в угольном шахтовом газе, и десорбирующую операцию с выпуском концентрированного газа, содержащего большое количество горючего газа, который не адсорбируется адсорбентом или который предпочтительно десорбируется с адсорбента, путем снижения давления внутри адсорбционной колонны до атмосферного давления.

Патентный документ 1: Японская патентная заявка "Kokai" №. 9-264196.

Патентный документ 2: Японская патентная заявка "Kokai" №. 58-198591.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Однако в случае концентрации горючего газа путем удаления воздушных компонентов из исходного газа с применением адсорбента, как сделано в концентрирующем устройстве адсорбционного типа, описанном в патентном документе 2 выше, хотя получаемый концентрированный газ иногда содержит горючий газ в качестве его основного компонента (например, 70%), данный газ все еще сохраняет в себе кислород, который не был удален адсорбентом, в количестве, большем или равном верхнему пределу концентрации кислорода (например, 4%) для выполнения безопасного сжатия в способе получения сжатого горючего газа.

И предшествующий уровень техники не смог обеспечить какой-либо эффективный способ удаления кислорода из кислородсодержащего горючего газа, содержащего горючий газ в качестве его основного компонента, с содержанием кислорода выше, чем верхний предел, до очень низкой концентрации (например, меньше чем 4%). Таким образом, невозможно использовать исходный газ, такой как угольный шахтовый газ, который содержит воздушные компоненты в добавление к метану, в качестве сжатого горючего газа для использования, например, в качестве автомобильного топлива.

Настоящее изобретение сделано ввиду вышеописанного уровня техники, и его основной задачей является обеспечить для использования в обработке горючего газа для получения сжимаемого горючего газа, содержащего заданный горючий газ, такой как метан, водород или подобный, в качестве его основного компонента, сжимаемого компрессором в сжатый горючий газ, технологию, которая позволяет удалять кислород до исключительно низкой концентрации из кислородсодержащего горючего газа, содержащего горючий газ в качестве его основного компонента и содержащего также кислород в количестве, большем или равном верхнему пределу концентрации кислорода, который гарантирует безопасность при сжатии в способе получения сжатого горючего газа, причем данная технология дополнительно позволяет эффективное использование исходного газа, такого как угольный шахтовый газ, содержащего воздушные компоненты в добавление к метану, в качестве сжатого горючего газа в качестве автомобильного топлива.

Для осуществления вышеуказанной задачи согласно отличительному признаку настоящего изобретения обеспечивается система обработки горючего газа для получения сжимаемого горючего газа, содержащего заданный горючий газ в качестве его основного компонента, подлежащего сжатию компрессором в сжатый горючий газ, отличающаяся тем, что данная система содержит средство каталитического сжигания для приема кислородсодержащего горючего газа, который содержит кислород в добавление к горючему газу, являющимся его основным компонентом, заставляющее этот кислородсодержащий газ горючий газ контактировать с катализатором окисления для его частичного сгорания с получением в результате частично сожженного газа в качестве упомянутого сжимаемого горючего газа.

Согласно вышеописанному отличительному признаку, с помощью средства каталитического сжигания кислородсодержащий горючий газ заставляют контактировать с катализатором окисления, где происходит так называемое частичное сгорание, при котором следовые количества горючего газа, богато содержащегося в кислородсодержащем горючем газе, сгорают с потреблением небольшого количества кислорода, содержащегося в этом кислородсодержащем горючем газе. В получающемся сжимаемом горючем газе, полученном после частичного сгорания в результате его контакта с катализатором окисления, большее количество кислорода расходуется и удаляется. Следовательно, этот сжимаемый горючий газ имеет исключительно низкую концентрацию (например, меньше чем 4%) кислорода и сохраняет высокую концентрацию горючего газа за исключением его следовых количеств, которые были израсходованы при частичном сгорании. Соответственно, данная система может производить сжатый горючий газ, который может сжиматься безопасным образом без случайного воспламенения сжимаемого горючего газа.

Согласно дополнительному признаку данной системы обработки горючего газа настоящего изобретения упомянутый горючий газ представляет собой метан или водород.

Согласно вышеописанному отличительному признаку, даже если горючий газ представляет собой метан или водород, так как кислород может быть удален путем частичного сгорания на катализаторе окисления до очень низкой концентрации из кислородсодержащего горючего газа, содержащего метан или водород в качестве его основного компонента и содержащего также кислород, как описано выше, может быть получен сжатый природный газ или сжатый водородный газ путем сжатия сжимаемого горючего газа, после удаления из него этого кислорода, безопасным образом для эффективного использования в качестве автомобильного топлива или подобного.

Согласно еще одному отличительному признаку системы обработки горючего газа настоящего изобретения данная система дополнительно содержит средство удаления воды для приема сжимаемого горючего газа до его подачи в компрессор и удаления воды из этого сжимаемого горючего газа.

Согласно вышеописанному отличительному признаку, из сжимаемого горючего газа, полученного от частичного сгорания с помощью средства каталитического сжигания и содержащего воду, средство удаления воды может удалять данную воду и подавать полученный сжимаемый горючий газ с удаленной водой в компрессор. Следовательно, в компрессоре осушенный сжимаемый горючий газ может сжиматься в осушенный и сжатый горючий газ, пригодный для использования в качестве автомобильного топлива или подобного. В результате компрессор и/или автомобиль может быть освобожден от неудобства, связанного с водой.

Согласно еще одному отличительному признаку системы обработки горючего газа настоящего изобретения данная система дополнительно содержит концентрирующее средство для приема исходного газа, содержащего горючий газ и кислород, и концентрирования горючего газа, содержащегося в исходном газе, с помощью адсорбента, производя, таким образом, получаемый концентрированный газ в качестве упомянутого кислородсодержащего горючего газа.

Согласно вышеописанному отличительному признаку, концентрирующее средство удаляет, используя адсорбент, воздушные компоненты, такие как кислород, из исходного газа, такого как угольный шахтовый газ, который содержит горючий газ и кислород, тем самым концентрируя горючий газ. Получаемый концентрированный газ может быть использован в качестве кислородсодержащего горючего газа, который содержит горючий газ с высокой концентрацией и содержит следовые количества кислорода. Следовательно, если этот кислородсодержащий горючий газ подвергается частичному сгоранию с помощью средства каталитического сжигания, становится возможным минимизировать количество горючего газа, расходуемого для удаления кислорода, тем самым улучшая выход сжимаемого горючего газа, получаемого из исходного газа, который содержит горючий газ и кислород.

Согласно еще одному отличительному признаку системы обработки горючего газа настоящего изобретения упомянутое концентрирующее средство включает в себя адсорбционную колонну, заполненную адсорбентом, предпочтительно адсорбирующим горючий газ, и упомянутое концентрирующее средство сконструировано так, чтобы выполнять в попеременном повторении адсорбирующую операцию, заставляя исходный газ проходить внутри адсорбционной колонны, и десорбирующую операцию для выпуска кислородсодержащего горючего газа изнутри адсорбционной колонны при давлении, меньшем чем давление, используемое в упомянутой адсорбирующей операции.

Согласно вышеописанному отличительному признаку, когда выполняется адсорбирующая операция, внутри адсорбционной колонны установлено, например, приблизительно атмосферное давление, горючий газ, содержащийся в этом проходящем исходном газе, адсорбируется адсорбентом, и оставшийся выхлопной газ выпускается наружу. При этом существует возможность выпускать выхлопной газ наружу изнутри адсорбционной колонны во внутреннюю часть, содержащую следовые количества горючего газа, которые не были поглощены адсорбентом. Однако так как его концентрация меньше, чем диапазон взрывных концентраций, такое количество газа может перерабатываться безопасным образом.

Затем, когда десорбирующая операция выполняется после адсорбирующей операции, с всасыванием газа, внутреннюю часть адсорбционной колонны устанавливают под давлением, меньшим, чем давление, используемое при адсорбирующей операции, горючий газ десорбируется с адсорбента, и этот получаемый газ, содержащий горючий газ, выпускается в качестве кислородсодержащего горючего газа, описанного выше. При этом, хотя кислородсодержащий горючий газ, выпускаемый изнутри адсорбционной колонны, содержит следовые количества кислорода, этот кислородсодержащий горючий газ содержит большое количество горючего газа, десорбированного с адсорбента.

Кроме того, вышеописанное концентрирующее средство не требует сжатия исходного газа, выхлопного газа или кислородсодержащего горючего газа. Поэтому можно дополнительно ограничить риск взрыва этих газов, а также сохранить потребление энергии, которая потребовалась бы для сжатия.

Согласно еще одному отличительному признаку системы обработки горючего газа настоящего изобретения данная система дополнительно содержит средство ввода для ввода водорода или пара в упомянутый кислородсодержащий горючий газ, подаваемый в упомянутое средство каталитического сжигания.

Согласно вышеописанному отличительному признаку, когда средство ввода вводит газ, содержащий водород и/или пар, в кислородсодержащий горючий газ, подаваемый в средство каталитического сжигания, становится возможно подавить отложение углерода на поверхности катализатора окисления, тем самым улучшая срок службы этого катализатора окисления.

Более конкретно, когда кислород удаляется путем частичного сгорания при контакте кислородсодержащего метанового газа с катализатором окисления, это может приводить к диспропорционированию моноксида углерода, побочно образующегося в ходе данной реакции, что иногда ведет к образованию углерода.

Затем, путем ввода водородсодержащего газа в кислородсодержащий метановый газ, подаваемый в устройство каталитического сжигания, становится возможным увеличить скорость горения при частичном сгорании на поверхности катализатора окисления, вследствие чего отложение углерода на поверхности катализатора окисления может быть эффективно подавлено.

Кроме того, если паросодержащий газ вводится в кислородсодержащий метановый газ, подаваемый в устройство каталитического сжигания, парциальное давление пара над поверхностью катализатора окисления повышается, так что протекает реакция между содержащимся моноксидом углерода и водой согласно теории химического равновесия, тем самым, подавляя отложение углерода на поверхности катализатора окисления.

Согласно еще одному отличительному признаку системы обработки горючего газа настоящего изобретения упомянутое средство ввода сконструировано так, чтобы осуществлять паровой реформинг части кислородсодержащего горючего газа, превращая этот газ в газ, содержащий водород и пар, и затем вводя полученный газ в часть кислородсодержащего горючего газа, иную, чем его часть, подаваемая в упомянутое средство каталитического сжигания.

Согласно вышеописанному отличительному признаку, средство ввода может производить газ, содержащий водород и пар, путем парового реформинга части кислородсодержащего горючего газа без необходимости готовить такой водород- или паросодержащий газ отдельно. И, когда этот водород/паросодержащий газ, полученный таким образом, вводится в оставшуюся часть кислородсодержащего горючего газа, иную, чем его часть, подаваемая в средство каталитического сжигания, отложение углерода на поверхности катализатора окисления может быть подавлено, улучшая, тем самым, срок службы этого катализатора окисления.

Для осуществления вышеуказанной задачи согласно настоящему изобретению обеспечивается способ обработки горючего газа для получения сжимаемого горючего газа, содержащего заданный горючий газ в качестве его основного компонента, подлежащего сжатию компрессором в сжатый горючий газ, отличающийся тем, что осуществляют этап каталитического сжигания, принимая кислородсодержащий горючий газ, который содержит кислород в добавление к горючему газу являющимся его основным компонентом, заставляя этот кислородсодержащий горючий газ контактировать с катализатором окисления для его частичного сгорания с производством в результате частично сожженного газа в качестве упомянутого сжимаемого горючего газа.

То есть способ обработки горючего газа согласно настоящему изобретению может достигать эквивалентных преимущественных функций/результатов, достигаемых с помощью системы обработки сжимаемого газа данного изобретения путем выполнения соответствующих операций, выполняемых с помощью соответствующего средства, обеспеченного в данной системе обработки сжимаемого газа данного изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 - (а) - диаграмма, показывающая общую конструкцию системы получения СПГ, относящейся к одному варианту осуществления данного изобретения, (b) - таблица, показывающая результат моделирования концентраций соответствующих компонентов в газе, получаемом в соответствующих процессах,

Фиг.2 - схематическая диаграмма конструкции устройства каталитического сжигания,

Фиг.3 - схематическая диаграмма конструкции обезвоживающего устройства,

Фиг.4 (а), (b) - схемы, показывающие соответствующие рабочие условия в концентрирующем устройстве, и

Фиг.5 - (а) - диаграмма, показывающая общую конструкцию системы получения СПГ, относящейся к дополнительному варианту осуществления настоящего изобретения, (b) - таблица, показывающая результат моделирования концентраций соответствующих компонентов в газе, получаемом в соответствующих процессах.

ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Теперь будет описан вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на сопровождающие чертежи. В этом варианте осуществления система обработки горючего газа и способ обработки горючего газа, относящиеся к настоящему изобретению, выполнены в системе 100 получения СПГ для получения сильно сжатого природного газа: СПГ (сжатый природный газ) (пример "сжатого горючего газа"), интенсивно применяемый в качестве, например, автомобильного топлива, из УШГ (угольный шахтовый газ) (пример "исходного (материального) газа"), содержащего метан (пример "горючего газа").

В этой связи, фиг.1 (а) представляет собой диаграмму, показывающую общую конструкцию системы 100 получения СПГ, а (b) представляет собой таблицу, показывающую результат моделирования концентраций соответствующих компонентов в газе, получаемом в соответствующих процессах. Фиг.2 представляет собой схематическую диаграмму конструкции устройства 4 каталитического сжигания, обеспеченного в настоящей системе 100. Фиг.3 представляет собой схематическую диаграмму конструкции осушитель (обезвоживающего устройства) 5, обеспеченный в настоящей системе 100. На фиг.4 (а) и (b) показывают соответствующие рабочие условия в концентрирующем устройстве 10.

Как показано на фиг.1 (а), (b), в угольной шахте УШ иногда находят скопление некоторого количества угольного шахтового газа УШГ (например, "исходного газа"), который содержит метан около 30%, а также содержит кислород около 20% приблизительно. И этот угольный шахтовый газ УШГ отбирают из угольной шахты УШ с помощью вентилирующего устройства 1 и подают в концентрирующее устройство 10.

Концентрирующее устройство 10, как будет подробно описано позднее, сконструировано так, чтобы концентрировать метан, содержащийся в угольном шахтовом газе УШГ, производя, тем самым, кислородсодержащий метановый газ G2 (пример "кислородсодержащего горючего газа"), который содержит метан в качестве его основного компонента и содержит также некоторое количество кислорода.

Этот кислородсодержащий метановый газ G2, как показано на фиг.1(b), содержит метан около 80%, а также содержит некоторое количество кислорода, т.е. 4% кислорода, больше или равно, чем верхний предел концентрации кислорода для обеспечения безопасности при последующей операции сжатия в способе получения сжатого природного газа СПГ.

Затем, как показано на фиг.1(а), настоящая система 100 сконструирована в качестве системы обработки метанового газа (пример "системы обработки горючего газа") для удаления кислорода из такого кислородсодержащего метанового газа G2 путем частичного сжигания с использованием катализатора 44 окисления, подробно описанного ниже, до очень низкой концентрации, производя, тем самым, сжимаемый метановый газ G3, G4 (пример "сжимаемого горючего газа", т.е. горючего газа, подлежащего сжатию), который содержит метан в качестве его основного компонента и который затем сжимается с помощью компрессора 6 в сжатый природный газ СПГ.

Более конкретно, настоящая система 100 включает в себя устройство 4 каталитического сжигания (пример "средства каталитического сжигания"), принимающее вышеописанный кислородсодержащий метановый газ G2 и заставляющее этот кислородсодержащий метановый газ G2 контактировать с катализатором 44 окисления для частичного сжигания и получения получаемого, частично сожженного газа в виде метанового газа G3 с удаленным кислородом в качестве вышеописанного сжимаемого метанового газа.

Это устройство 4 каталитического сжигания, как показано на фиг.2, включает в себя корпус, имеющий входную часть 41 для приема кислородсодержащего метанового газа G2 и выходную часть 42 для выпуска метанового газа G3 с удаленным кислородом, газовый проход 43, сформированный в данном корпусе и проходящий от входной части 41 к выходной части 42, и катализатор 44 окисления, загруженный внутри газового прохода 43 газопроницаемым образом.

Этот катализатор 44 окисления может быть любым известным катализатором, способным ускорять реакцию окисления метана. Например, этот катализатор 44 может быть образован из слоя носителя, имеющего ячеистую форму для получения высокой удельной площади поверхности, и слоя катализатора, нанесенного на слой носителя и прокаленного с ним, где катализатор представляет собой катализатор платинового или палладиевого типа или катализатор, содержащий палладий или платину в качестве его основного компонента и содержащий также вспомогательный катализатор с одним или несколькими элементами, выбранными из группы, состоящей из серебра, золота, платины, палладия, рутения, иридия и родия.

Дополнительно, обеспечивается электрический нагреватель 45 для нагрева катализатора 44 окисления, при помощи чего реакция окисления метана с помощью катализатора 44 окисления дополнительно ускоряется.

Затем, с устройством 4 каталитического сжигания, описанным выше в операции, когда кислородсодержащий метановый газ G2 вступает в контакт с катализатором 44 окисления, происходит, так называемое, частичное сгорание очень маленькой части количества метана, содержащегося в этом кислородсодержащем метановом газе G2, с использованием следового (малого) количества кислорода, содержащегося в этом кислородсодержащем метановом газе G2. Кстати, при этом температура горения на катализаторе 44 окисления будет ниже, чем температура в случае образования пламени.

Следовательно, в газе, получаемом от частичного сгорания посредством его контакта с катализатором 44 окисления, большая часть кислорода будет израсходована на частичное сгорание, как показано на фиг.1(b), поэтому получается метановый газ G3 с удаленным кислородом, концентрация кислорода которого составляет приблизительно 0%, т.е. ниже, чем верхний предел концентрации кислорода (4%).

Также этот метановый газ G3 с удаленным кислородом содержит высокую концентрацию метана около 78% за исключением части метана, которая израсходована при частичном сгорании.

Следовательно, этот метановый газ G3 с удаленным кислородом может безопасным образом сжиматься компрессором 6 в сжатый природный газ СПГ.

Далее, метановый газ G3 с удаленным кислородом, полученный таким образом, может непосредственно сжиматься компрессором 6 в сжатый природный газ СПГ. Альтернативно, так как метановый газ G3 с удаленным кислородом содержит определенное количество воды, полученной в результате частичного сгорания с помощью вышеописанного устройства 4 каталитического сжигания, предпочтительно, когда этот газ подают в компрессор 6 после надлежащего удаления воды из него.

Следовательно, настоящая система 100 включает в себя обезвоживающее устройство 5 для удаления содержания воды, содержащейся в этом метановом газе G3 с удаленным кислородом, с получением, тем самым, осушенного метанового газа G4.

Это обезвоживающее устройство 5, как показано на фиг.3, включает в себя корпус, входную часть 51 для ввода метанового газа G3 с удаленным кислородом, выходную часть 52 для выпуска осушенного метанового газа G4 и газовый проход 53, сформированный снизу вверх внутри данного корпуса. И теплообменник 54 внедрен внутри газового прохода 53, чтобы охлаждать метановый газ G3 с удаленным кислородом посредством теплообмена с холодной водой С, подаваемой снаружи.

При работе, когда метановый газ G3 с удаленным кислородом охлаждается в теплообменнике 54, вода, содержащаяся в этом метановом газе G3 с удаленным кислородом, концентрируется и удаляется, вследствие чего получается осушенный метановый газ G4, и он отбирается из выходной части 52.

Далее сконцентрированная вода W, полученная в этом теплообменнике 54, падает и выпускается наружу через сливной клапан 55.

Как описано выше для угольного шахтового газа УШГ, концентрирующее устройство 10 выполняет концентрацию метана, а устройство 4 каталитического сжигания выполняет частичное сжигание, используя кислород, содержащийся в этом газе, и получаемый газ обезвоживается с помощью обезвоживающего устройства 5 в осушенный метановый газ G4. Как показано на фиг.1(b), этот осушенный метановый газ G4 получается в виде сухого газа, который содержит высокую концентрацию метана порядка 81% и очень низкие концентрации кислорода около 0%, диоксида углерода около 2,1%, причем концентрация кислорода гораздо меньше, чем верхний предел концентрации кислорода (4%).

И компрессор 6 может безопасным образом сжимать этот сухой метановый газ G4 до высокого давления (например, 20,3 МПа (200 атм) приблизительно), посредством чего может быть получен сжатый природный газ СПГ высокого качества.

Концентрирующее устройство 10, описанное выше, может иметь любую известную конструкцию. Однако ради еще более высокой безопасности и улучшенной эффективности может применяться концентрирующее устройство адсорбционного типа, описанное ниже. Затем будет сделано дополнительное обсуждение подробной конструкции этого концентрирующего устройства 10.

Это концентрирующее устройство 10, как показано на фиг.1(а), включает в себя первую концентрирующую секцию 2 и вторую концентрирующую секцию 3, расположенные последовательно, так что первая концентрирующая секция 2 концентрирует метан в угольном шахтовом газе УШГ до концентрации приблизительно 55% с получением первого концентрированного метанового газа G1 (см. фиг.1(b)), а вторая концентрирующая секция 3 концентрирует метан, содержащийся в первом концентрированном метановом газе G1, до концентрации приблизительно 80% с получением второго концентрированного метанового газа G2.

Первая концентрирующая секция 2 и вторая концентрирующая секция 3 могут быть концентрирующими секциями одинаковой конструкции. И эта конструкция будет описана ниже со ссылкой на фиг.4. В этой связи, на фиг.4 и в последующем обсуждении, что касается меток и численных обозначений компонентов в первой концентрирующей секции 2, метки и численные обозначения соответствующих компонентов во второй концентрирующей секции 3 будут показаны внутри скобок соответственно.

В этой концентрирующей секции 2 (или 3) обеспечивается адсорбционная колонна 11, заполненная (заряженная) внутри адсорбентом 16, который предпочтительно адсорбирует метан, и данная секция сконструирована так, чтобы выполнять с чередующимся повторением, с некоторым расположением двухпозиционных клапанов 12, 13, 14, вентилятора 18 и всасывающего насоса 19, и контроллера для их регулирования, адсорбирующую операцию, при которой двухпозиционные клапаны или подобные функционируют, разрешая проход внутри адсорбционной колонны 11 угольного шахтового газа УШГ (или первого концентрированного метанового газа G1) при давлении, приблизительно эквивалентном атмосферному давлению, и десорбирующую операцию для выпуска первого концентрированного метанового газа G1 (кислородсодержащего метанового газа G2) изнутри адсорбционной колонны 11 при давлении, меньшем, чем давление, используемое в адсорбирующей операции.

При этом, концентрирующее устройство 2 (или 3), описанное в настоящем варианте осуществления, включает в себя две адсорбционные колонны 11 (первую адсорбционную колонну 11а и вторую адсорбционную колонну 11b), имеющие одинаковую конструкцию и расположенные рядом, как будет подробно описано ниже, так что когда одна адсорбционная колонна 11 выполняет адсорбирующую операцию, другая адсорбционная колонна 11 выполняет десорбирующую операцию. Таким образом, адсорбирующая операция и десорбирующая операция выполняются повторно попеременно в двух адсорбционных колоннах, описанных выше.

Адсорбент 16, заполненный внутри адсорбционных башен 11, не ограничивается конкретно, пока данный адсорбент является метановым адсорбентом, способным предпочтительно адсорбировать метан. Однако предпочтительно использовать метановый адсорбент, имеющий средний диаметр микропор от 4,5 до 15 Å, измеренный с помощью МР способа, и скорость адсорбции метана 20 Нсм³/г или больше при атмосферном давлении и при 298 К, и образованный из материала, по меньшей мере одного, выбранного из группы, состоящей из активированного угля, цеолита, силикагеля и металлоорганического комплекса (фумарата меди, терефталата меди, циклогександикарбоксилата меди и др.) или подобного. Средний диаметр микропор лежит в диапазоне предпочтительно от 4,5 до 10Å, более предпочтительно от 5 до 9,5Å. И скорость адсорбции метана составляет предпочтительно 25 Нсм³/г или больше. Например, согласно типичному способу получения такого активированного угля, скорлупу кокосового ореха или уголь скорлупы кокосового ореха полностью карбонизуют при 600°С в газообразном азоте и затем измельчают до размера частиц от 1 до 3 мм, получая, таким образом, углеродистый материал. Затем, используя активирующую печь с ожиженным слоем периодического типа, имеющую внутренний диаметр 50 мм, этот углеродистый материал активируют при 860°С в атмосфере, состоящей из пара 10-15% об., диоксида углерода от 15 до 20% об. и остальное азот. При этом может быть получен активирующий уголь.

Таким образом, используя в качестве адсорбента 16 метановый адсорбент, способный предпочтительно адсорбировать метан при атмосферном давлении и при 298 К, метан может быть достаточным образом адсорбирован на этот адсорбент 16 даже при атмосферном давлении и при 298 К.

То есть, если скорость адсорбции метана адсорбента 16 при атмосферном давлении при 298 К меньше, чем 20 Нсм³/г, производительность адсорбции метана будет ухудшаться при меньших давлениях (при приблизительно атмосферном давлении в частности), вызывая, таким образом, снижение концентрации метана в концентрированном, первом концентрированном метановом газе G1 (кислородсодержащем метановом газе G2) и вызывая физическое увеличение данного устройства, так как большее количество адсорбента 16 потребуется, чтобы поддерживать такую же производительность адсорбции. При этом верхний предел скорости адсорбции метана не ограничивается конкретно, но доступные в настоящее время метановые адсорбенты обеспечивают максимальную скорость адсорбции метана приблизительно 40 Нсм³/г или меньше.

Кроме того, если средний диаметр микропор адсорбента 16, определенный с помощью МР способа, меньше чем 4,5 Å, это приведет к увеличению скоростей адсорбции газообразного кислорода и азота, вследствие чего концентрация метана в концентрированном, первом концентрированном метановом газе G1 (кислородсодержащем метановом газе G2) будет снижаться, или средний диаметр микропор будет приблизительно соответствовать размеру молекулы метана, вследствие чего скорость адсорбции будет снижаться, таким образом ухудшая или блокируя совсем производительность адсорбции метана. С другой стороны, если средний диаметр микропор адсорбента 16, определенный с помощью МР способа, больше чем 15 Å, это приведет к ухудшению производительности адсорбции метана при низких давлениях (при приблизительно атмосферном давлении в частности). В результате концентрация метана в концентрированном, первом концентрированном метановом газе G1 (кислородсодержащем метановом газе G2) будет снижаться, или потребуется физическое увеличение данного устройства, так как большее количество адсорбента 16 потребуется, чтобы поддерживать такую же производительность адсорбции.

Кроме того, в качестве адсорбента 16 предпочтительно использовать адсорбент, в котором объем пор, имеющих средний диаметр микропор 10Å или меньше, определенный по МР способу, составляет 50% или больше, предпочтительно 70% или больше, более предпочтительно 80% или больше от всего объема микропор. В этом случае, так как объем микропор, имеющих средний диаметр микропор 10Å или меньше, способных предпочтительно адсорбировать метан, составляет 50% или больше от всего объема микропор, то есть с увеличенным количеством адсорбируемого метана при атмосферном давлении (приблизительно 0,1 МПа), метан может адсорбироваться достаточным образом даже при атмосферном давлении.

С другой стороны, в качестве адсорбента 16 предпочтительно использовать адсорбент, в котором, в отношении количества адсорбции азота при 77 К, количество адсорбции азота при относительном давлении 0,013, соответствующее среднему диаметру микропор 10 Å, определенному с помощью НК способа, составляет 50% или больше, предпочтительно 70% или больше, более предпочтительно 80% или больше от количества адсорбции азота при относительном давлении 0,99, соответствующем полному объему микропор. В этом случае величина адсорбции при относительном давлении 0,99 отражает полный объем микропор, а величина адсорбции при относительном давлении 0,013 отражает объем микропор, имеющих диаметр микропор 10 Å или меньше, и величины соответствующих отношений, указывающие долю пор, имеющих диаметры микропор 10 Å или меньше, будут больше, как в описанном выше случае. В результате, в случае концентрации угольного шахтового газа УШГ (или первого концентрированного метанового газа G1), содержащего метан, смешанный с воздухом, концентрация его метана при приблизительно атмосферном давлении может выполняться легко и эффективно.

Эта концентрирующая секция 2 (или 3) сконструирована так, чтобы вводить угольный шахтовый газа УШГ (или первый концентрированный метановый газ G1) из трубы 8 через вентилятор 18 и выпускать первый концентрированный метановый газ G1 (кислородсодержащий метановый газ G2) из трубы 9 через всасывающий насос 19.

Кроме того, нижняя часть внутри адсорбционной колонны 11 соединяется через двухпозиционный клапан 13 с выходной стороной вышеописанного вентилятора 18 и соединяется также через двухпозиционный клапан 12 с входной стороной всасывающего насоса 19. С другой стороны, верхняя часть внутри адсорбционной колонны 11 соединяется через двухпозиционный клапан 14 с трубой 17, которая открывается на атмосферное давление.

При этом в случае, когда давление подачи угольного шахтового газа УШГ (или первого концентрированного метанового газа G1) в трубу 8 является достаточно высоким, вентилятор 18 может быть пропущен соответствующим образом. Кроме того, в случае, когда сила всасывания первого концентрированного метанового газа G1 (кислородсодержащего метанового газа G2) в трубе 9 является достаточно высокой, всасывающий насос 19 может быть пропущен соответствующим образом.

И, при выполнении адсорбирующей операции, как указано с помощью условий первой адсорбционной колонны 11а, изображенной на фиг.4(а), и условий второй адсорбционной колонны 11b, изображенной на фиг.4(b), путем закрытия двухпозиционного клапана 12 и открытия двухпозиционных клапанов 13 и 14 угольный шахтовый газ УШГ (или первый концентрированный метановый газ G1) вводится из трубы 8 через вентилятор 18 внутрь адсорбционной колонны 11, а выхлопной газ после адсорбента 16 выпускается изнутри адсорбционной колонны 11 в трубу 17, и, таким образом, угольный шахтовый газ УШГ (или первый концентрированный метановый газ G1) заставляют проходить через внутреннюю часть адсорбционной колонны 11 при приблизительно атмосферном давлении. То есть в этой адсорбирующей операции метан, содержащийся в угольном шахтовом газе УШГ (или первом концентрированном метановом газе G1) адсорбируется на адсорбенте 16, а выхлопной газ, не адсорбированный на адсорбенте 16, выпускается в трубу 17.

При этом, что касается выхлопного газа OG, выпускаемого в трубу 17, он может выпускаться в атмосферу. Однако, так как он может содержать определенное небольшое количество метана, предпочтительно, когда этот газ выпускается в атмосферу после выполнения, например, операции разбавления с помощью вентилирующего устройства. При выполнении десорбирующей операции после осуществления вышеописанной адсорбирующей операции, как показано с помощью состояния второй адсорбционной колонны 11b, изображенной на фиг.4(а), и состояния первой адсорбционной колонны 11а, изображенной на фиг.4(b), двухпозиционный клапан 12 открывается, а двухпозиционные клапаны 13 и 14 закрываются. Затем, когда всасывающая сила всасывающего насоса 19 передается внутрь адсорбционной колонны 11, давление внутренней части адсорбционной колонны 11 снижается до давления, меньшего, чем давление, используемое при адсорбирующей операции. Внутри адсорбционной колонны 11, вакуумированной таким образом, десорбция метана с адсорбента 16 ускоряется, так что газ, содержащий большое количество этого метана и имеющий более высокую концентрацию метана, чем угольный шахтовый газ УШГ (или первый концентрированный метановый газ G1), выпускается в качестве первого концентрированного метанового газа G1 (кислородсодержащего метанового газа G2) через всасывающий насос 19 в трубу 9.

И эта концентрирующая секция 2 (или 3) сконструирована так, чтобы обеспечивать чередующееся повторение первого рабочего состояния, при котором, пока первая адсорбционная колонна 11а находится в адсорбирующей операции, вторая адсорбционная колонна 11b находится в десорбирующей операции, как показано на фиг.4(а), и второго рабочего состояния, при котором, пока первая адсорбционная колонна 11а находится в десорбирующей операции, вторая адсорбционная колонна 11b находится в адсорбирующей операции, как показано на фиг.4(b). При такой конструкции можно непрерывно выпускать первый концентрированный метановый газ G1 (кислородсодержащий метановый газ G2) из трубы 9.

Кроме того, переключение между первым рабочим состоянием и вторым рабочим состоянием может осуществляться с заданным временным интервалом. Вместо этого следующая дополнительная конструкция также возможна и предпочтительна, например. Дополнительная предпочтительная конструкция обеспечивает трубу 17 с датчиком 15 концентрации метана для определения концентрации метана в выхлопном газе OG. Поэтому, когда эта концентрация метана превышает установленную концентрацию, принимается решение, что адсорбционная емкость адсорбента 11, увеличенная в адсорбирующей операции, происходящей в адсорбционной колонне 11, достигла своего предела, так что первое рабочее состояние и второе рабочее состояние переключаются.

Кроме того, в случае использования концентрирующей секции 2 (или 3) адсорбционного типа вышеописанного типа, чтобы подавить снижение производительности адсорбции адсорбента 16 вследствие содержания воды, предпочтительно, когда вода, содержащаяся в угольном шахтовом газе УШГ (или первом концентрированном метановом газе G1), подаваемом внутрь адсорбционной колонны 11, удаляется заблаговременно.

ДРУГИЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(1) Иной вариант осуществления, чем вышеописанный вариант осуществления, будет описан далее со ссылкой на фиг.5.

В этой связи фиг.5(а) представляет собой диаграмму, показывающую общую конструкцию системы 200, относящуюся к настоящему варианту осуществления, и (b) представляет собой таблицу, показывающую результат моделирования концентраций соответствующих компонентов газов, получаемых на соответствующих этапах.

Также, в отношении одинаковых конструкций вышеописанных вариантов осуществления обеспечиваются одинаковые ссылочные метки и численные обозначения, и их описания могут быть пропущены, когда это подходит.

Как показано на фиг.5(а), (b), данная система включает в себя концентрирующее устройство 10, подобное устройству, используемому в вышеописанном варианте осуществления, так что путем концентрации метана, содержащегося в угольном шахтовом газе УШГ, с этим концентрирующим устройством 10 производится кислородсодержащий метановый газ G5 (пример "кислородсодержащего горючего газа"), содержащий метан в качестве его основного компонента и содержащий также кислород. И, как показано на фиг.5(b), этот кислородсодержащий метановый газ G5 представляет собой газ, который содержит метан с приблизительно 80% и содержит также некоторое количество кислорода, т.е. 4% кислорода, большее или равное верхнему пределу концентрации кислорода для обеспечения безопасности последующей операции сжатия в способе получения сжатого природного газа СПГ.

Кроме того, настоящая система 200, как показано на фиг.5(а), включает в себя устройство 4 каталитического сжигания (пример "средства каталитического сжигания"), подобное устройству, применяемому в вышеописанном варианте осуществления, так что с помощью этого устройства 4 каталитического сжигания вышеописанный кислородсодержащий метановый газ G5 или подобный заставляют контактировать с катализатором 44 окисления (см. фиг.2) для частичного сгорания, и получаемый частично сожженный газ производится в качестве метанового газа G9 с удаленным кислородом в качестве вышеописанного сжимаемого метанового газа.

При выполнении частичного сжигания путем принуждения кислородсодержащего метанового газа G5 или подобного контактировать с катализатором 44 окисления с помощью такого устройства 4 каталитического сжигания, описанного выше, возникнут следующие проблемы. (1) Вследствие исключительно высокой химической стабильности метана предварительный нагрев кислородсодержащего метанового газа G5 до, обычно, 300°С, предпочтительно 400°С или выше необходим перед вводом этого кислородсодержащего метанового газа G5 в катализатор 44 окисления, поэтому необходимо отдельно обеспечить систему для теплообмена с прореагировавшим газом. (2) Даже в случае, когда кислородсодержащий метановый газ G5 предварительно нагревают до 400°С или выше, выполнение реакции окисления метана требует использования катализатора, несущего большое количество дорогостоящего благородного металла. (3) Как только вышеописанная температура предварительного нагрева добавляется в теплоте, генерируемой реакцией, температура катализатора 44 окисления достигает 450°С или выше. Поэтому в добавление к реакции окисления будет также протекать и развиваться реакция парового реформинга из-за воды, образующейся по реакции окисления, что производит моноксид углерода. И, так как этот моноксид углерода диспропорционирует на твердый углерод и диоксид углерода, происходит отложение углерода на катализаторе, тем самым вызывая ухудшение производительности катализатора со временем.

Ввиду вышеуказанного, настоящая система 200 применяет следующее расположение.

Настоящая система 200 не подает кислородсодержащий газ G5 или первый метановый газ G7 с удаленным кислородом непосредственно в устройство 4 каталитического сжигания, а включает в себя средство ввода для ввода газа G11, содержащего водород и/или пар, в такие газы G5, G7.

Конкретнее, это устройство ввода сконструировано следующим образом, а именно первая часть кислородсодержащего метанового газа G5 подается в устройство 20 реформинга, смешиваясь с паром и реагируя на катализаторе реформинга, посредством чего газ G5 превращается в реформированный газ (называемый далее "обогащенный водородом газ") G11, который содержит водород в качестве его основного компонента и содержит также моноксид углерода, диоксид углерода и пар. Затем этот обогащенный водородом газ G11 вводится (добавляется) в оставшуюся часть кислородсодержащего метанового газа G5, подаваемую в устройство 4 каталитического сжигания, чтобы реагировать на катализаторе 44 окисления. Так как реакция между водородом и кислородом начинается вблизи обычной температуры, едва ли существует необходимость предварительного нагрева кислородсодержащего метанового газа G5 перед его подачей на катализатор 44 окисления. Скорее будет достаточной умеренная температура (приблизительно 60°С), которая достигается в результате примешивания высокотемпературного, обогащенного водородом газа G11.

Устройство 20 реформинга включает в себя катализатор реформинга, образованный из активного металла, по меньшей мере одного, выбранного из группы, состоящей из никеля, рутения и родия, нанесенного на тугоплавкий неорганический носитель, образованный из одного или смеси, по меньшей мере двух, выбранных из группы, состоящей из оксида алюминия, оксида циркония, оксида кремния и оксида титана, катализатор обессеривания, обеспечиваемый, когда необходимо, выше по ходу от катализатора реформинга, и горелку или нагреватель для подачи тепла, требуемого для данной реакции. При работе устройства 20 реформинга, в случае, когда кислородсодержащий метановый газ содержит серу, этот газ заставляют проходить катализатор обессеривания для снижения концентрации соединений серы в этом кислородсодержащем метановом газе G5 до, например, 0,1 ч./млн в объеме, предпочтительно до 0,01 ч./млн приблизительно. Затем этот газ смешивают с паром, и потом полученный газ заставляют проходить катализатор реформинга, который нагревают нагревателем или подобным до от 650°С до 800°С приблизительно, посредством чего кислородсодержащий метановый газ G5 превращается в обогащенный водородом газ G11.

Так как реакция между кислородом и водородом протекает очень легко, можно применять в качестве катализатора 44 окисления относительно недорогой катализатор, такой как коммерчески доступный катализатор типа Pt/оксид алюминия, типа Pd/оксид алюминия или подобный для использования, например, в дезодорации путем каталитического окисления. Pt катализатор имеет высокую активность окисления, но низкую активность парового реформинга, таким образом, меньший риск отложения углерода. Следовательно, Pt катализатор является особенно предпочтительным. Кроме того, катализатор, содержащий носитель, образованный из оксида алюминия, оксида титана или оксида циркония, или смеси двух или более из них, и Pt и Pd, нанесенные на них, имеет отличную активность окисления при низких температурах, так что реакция каталитического горения может начинаться при температуре 100°С или ниже, например при от 45 до 80°С приблизительно. Следовательно, использование этого катализатора является экономически выгодным, так как устраняет необходимость предварительного нагрева кислородсодержащего метанового газа G5 перед его подачей в катализатор 44 окисления.

Форма катализатора 44 окисления не ограничивается конкретно, он может иметь, например, форму частичек, сот, сетки и т.д. Однако сотовая форма является предпочтительной в случае, если потеря давления является проблематичной. В этом случае, например, могут применяться "washcoat" соты, имеющие катализатор, нанесенный на тугоплавкий материал, например кордиерит. В случае использования зернистого катализатора может применяться реактор с радиальным течением или латеральным течением, или подобный, так как это позволяет достигать снижения потери давления, ограничивая возникновение неоднородности скорости течения.

При этом предпочтительно, когда самая высокая температура (обычно температура на выходе катализатора) катализатора 44 окисления не превышает 350°С. Если 350°С превышаются, это может запустить реакцию парового реформинга метана, приводящую к отложению углерода на катализаторе. В случае, когда кислород удаляется посредством одной стадии реакции, вышеописанный верхний предел температуры может иногда превышаться в зависимости от концентрации кислорода (например, 2% или больше).

В таком случае, как показано на фиг.5(а), устройство 4 каталитического сжигания, содержащее катализатор 44 окисления, может быть изготовлено с двумя или более стадиями, чтобы разделить операцию добавления обогащенного водородом газа G11 на две или больше стадий, и теплоотводящая секция 7 может обеспечиваться между стадиями. При таком расположении можно предотвратить самую высокую температуру катализатора 44 окисления от превышения 350°С.

Более конкретно, это модифицированное устройство 4 каталитического сжигания включает в себя первую секцию 46 каталитического сжигания и вторую секцию 47 каталитического сжигания, расположенные последовательно. То есть кислородсодержащий метановый газ G5 подается в первую секцию 46 каталитического сжигания для частичного сжигания, тем самым образуя первый метановый газ G7 с удаленным кислородом, и затем этот первый метановый газ G7 с удаленным кислородом охлаждается надлежащим образом с помощью теплоотводящей секции 7. Затем этот охлажденный первый метановый газ G8 с удаленным кислородом подается во вторую секцию 47 каталитического сжигания для частичного сжигания, тем самым образуя второй метановый газ G9 с удаленным кислородом, с, по существу, полностью удаленным кислородом. И средство ввода вводит обогащенный водородом газ G11 (G11a, G11b) с распределением в каждый из газов G5, G7,подаваемых в эту первую секцию 46 каталитического сжигания и вторую секцию 47 каталитического сжигания.

В случае результата моделирования, показанного на фиг.5(b), часть газа G5b с 16,6 Нм³/ч от кислородсодержащего метанового газа G5, текущего со скоростью 625 Нм³/ч, подается в устройство 20 реформинга, и часть газа G11a с 38,8 Нм³/ч от полученного обогащенного водородом газа G11 с 69 Нм³/ч вводится в кислородсодержащий метановый газ G5, подаваемый в первую секцию 46 каталитического сжигания, а остальная часть газа G11b с 29,8 Нм³/ч вводится в первый метановый газ G7 с удаленным кислородом, подаваемый во вторую секцию 47 каталитического сжигания.

Кроме того, при вышеописанном расположении подачи обогащенного водородом газа G11 (G11c) с регулированием величины подачи во второй метановый газ G9 с удаленным кислородом, можно также регулировать скорость горения сжатого природного газа СПГ после последующего сжатия с помощью компрессора 6, чтобы она соответствовала его применению в качестве, например, автомобильного топлива.

Далее будут показаны результаты проделанного исследования с наблюдаемыми изменениями активности катализатора 44 окисления при подаче кислородсодержащего метанового газа G5 в вышеописанное устройство 20 реформинга и устройство 4 каталитического сжигания. При этом примеры 1-3 показывают результаты случаев с изменениями формы катализатора 44 окисления, носителя и нанесенного на него металла.

ПРИМЕР 1

3 мл катализатора, содержащего 3 мм сферический носитель из γ-оксида алюминия и 2% масс Pt, нанесенной на него, загружали в трубку реактора из нержавеющей стали, имеющую внутренний диаметр 14 мм. Затем газ, имеющий композицию 85,8% метана, 3,4% водорода, 0,6% моноксида углерода, 0,4% диоксида углерода, 0,9% пара, 1,7% кислорода и 7,2% азота (этот газ имел температуру приблизительно 50°С), подавали со скоростью 2,25 литров/мин в трубку реактора, и температура выхода катализатора постепенно повышалась от комнатной температуры. Газ, подаваемый как описано выше, соответствовал газу, получаемому путем добавления обогащенного водородом газа к 100 объемным частям кислородсодержащего газа, содержащего 90% метана и 10% воздуха, причем обогащенный водородом газ получали путем добавления 2,3 объемных частей пара к 1,2 объемных частей кислородсодержащего метанового газа и затем подвергали полученную смесь реакции реформинга при 700°С. Когда температура выхода катализатора достигала 120°С, наблюдали быстрый рост температуры выхода катализатора. Это указывало на начало реакции окисления водорода. В условиях, когда температура выхода катализатора была 300°С (условия эффективного нагрева, сопровождающегося выпуском тепла, и смоделированные теплоизолирующие условия), концентрация кислорода в газе на выходе с катализатора составляла 0,01% или меньше, и концентрация моноксида углерода в этом газе была 0,01% или меньше. После приблизительно 150 часов поддерживания температуры выхода катализатора при 300°С проводили определение температуры инициации реакции таким же способом, как описано выше. Результат показал, что температура падала до 110°С. То есть с этим катализатором не было обнаружено никакой дезактивации со временем.

ПРИМЕР 2

Данный катализатор заменяли катализатором, содержащим 3 мм цилиндрический носитель с оксидом циркония и 2% масс нанесенной на него Pt. За исключением этого эксперимент проводили таким же образом, как в примере 1, описанном выше. Исходная температура начала реакции была 125°С, и концентрация кислорода в газе на выходе катализатора, когда температура выхода катализатора составляла 300°С, была 0,01% или меньше, и концентрация моноксида углерода в нем была 0,01% или меньше. После приблизительно 150 часов поддерживания температуры выхода катализатора при 300°С проводили определение температуры инициации реакции таким же способом, как описано выше. Результат показал, что температура падала до 105°С. То есть с этим катализатором не было обнаружено никакой дезактивации со временем.

ПРИМЕР 3

Данный катализатор заменяли катализатором, содержащим 3 мм цилиндрический носитель с оксидом циркония и 0,5% масс Pt и 2,5% Pd, нанесенных на него. За исключением этого эксперимент проводили таким же образом, как в примере 1, описанном выше. Исходная температура начала реакции была 45°С, и концентрация кислорода в газе на выходе катализатора, когда температура выхода катализатора составляла 300°С, была 0,01% или меньше, и концентрация моноксида углерода в нем была 0,01% или меньше. Это показывает, что настоящий катализатор, несущий Pd в добавление к Pt, демонстрирует высокую низкотемпературную активность. После приблизительно 25, 50 и 150 часов поддерживания температуры выхода катализатора при 300°С проводили определения температуры инициации реакции таким же способом, как описано выше. Результат показал, что во всех случаях реакция начиналась при 60°С. То есть с настоящим катализатором дезактивация со временем иногда происходила на очень ранней стадии, но активность становилась стабильной и оставалась стабильной после. Поэтому данный катализатор может быть удовлетворительно использован для реакции удаления кислорода при приблизительно 60°С.

Следовательно, когда обогащенный водородом газ G11 из устройства 20 реформинга добавляли к кислородсодержащему газу G5 и полученный смешанный газ подавали на катализаторы вышеописанных соответствующих вариантов осуществления в качестве катализаторов 44 окисления устройства 4 каталитического сжигания, каталитические реакции начинались при относительно низких температурах, едва ли нуждаясь в каком-либо предварительном нагреве. И также было доказано, что, хотя концентрация кислорода значительно снижалась, вряд ли какая-либо дезактивация протекала со временем.

При этом в вышеописанной конструкции в газы G5, G7, подаваемые с помощью средства ввода в устройство 4 каталитического сжигания, соответственно вводили обогащенный водородом газ G11 (G11a, G11b). Однако даже в случае альтернативной конструкции ввода пара вместо обогащенного водородом газа G11, отложение углерода на поверхности катализатора 44 окисления можно было эффективно подавить. То есть, когда метан, смешанный с паром, подается в устройство 4 каталитического сжигания, происходит рост парциального давления пара над поверхностью катализатора 44 окисления, и моноксид углерода и вода реагируют друг с другом согласно теории химического равновесия, подавляя, таким образом, отложение углерода на поверхности катализатора 44 окисления.

(2) В вышеописанном варианте осуществления газ, полученный путем концентрации угольного шахтового газа УШГ с помощью концентрирующего устройства 10, использовали в качестве кислородсодержащего горючего газа G2, содержащего горючий газ, такой как метан, в качестве его основного компонента и содержащего также кислород, и этот кислородсодержащий горючий газ G2 подавали в устройство 4 каталитического сжигания. Однако, если исходный газ сам, по существу, содержит горючий газ в качестве его основного компонента и содержит также кислород, концентрирующее устройство может быть опущено, и этот исходный газ может подаваться непосредственно в устройство каталитического сжигания.

(3) В вышеописанном варианте осуществления метановый газ G3 с удаленным кислородом после удаления кислорода с помощью устройства 4 каталитического сжигания обезвоживали с помощью обезвоживающего устройства 5 и затем подавали в качестве сжимаемого метанового газа в компрессор 6 для сжатия, преобразуя, таким образом, в сжатый природный газ СПГ. Альтернативно, если присутствие воды в метановом газе G3 с удаленным кислородом является допустимым, обезвоживающее устройство 5 может быть опущено, и этот метановый газ G3 с удаленным кислородом может непосредственно подаваться в компрессор 6 для сжатия.

(4) В вышеописанном варианте осуществления устройство 4 каталитического сжигания было сконструировано так, что катализатор 44 окисления загружали в условиях газопроницаемости внутри газового прохода 43. Вместо этого конструкция средства каталитического сжигания может быть модифицирована многими способами, такими, как конструкция, в которой катализатор окисления расположен вдоль течения газа газового прохода.

(5) В вышеописанном варианте осуществления угольный шахтовый газ УШГ применяли в качестве исходного газа. Вместо этого любой другой исходный газ, иной, чем угольный шахтовый газ УШГ, может применяться, пока такой другой газ содержит горючий газ, такой как метан, водород и др.

(6) В вышеописанном варианте осуществления систему и способ обработки горючего газа настоящего изобретения осуществляли в системе получения СПГ для получения сжатого природного газа СПГ из угольного шахтового газа УШГ в качестве исходного газа, содержащего метан в качестве горючего газа. Вместо этого данное изобретение также применимо к системе получения сжатого горючего газа, такого как сжатый водородный газ, из исходного газа, содержащего водород в качестве горючего газа скорее, чем метан.

ПРИМЕНИМОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Настоящее изобретение применимо для обеспечения, для использования в обработке горючего газа для получения сжимаемого горючего газа, содержащего заданный горючий газ, такой как метан, водород или подобный, в качестве его основного компонента, для сжатия компрессором в сжатый горючий газ, технологии, которая позволяет удаление кислорода до очень низкой концентрации из кислородсодержащего горючего газа, содержащего горючий газ в качестве его основного компонента и содержащего также кислород в количестве, большем или равном верхнему пределу концентрации кислорода, которая гарантирует безопасность при сжатии в способе получения сжатого горючего газа, причем данная технология дополнительно позволяет эффективное использование исходного газа, такого как угольный шахтовый газ, содержащий воздушные компоненты в добавление к метану, в качестве автомобильного топлива в системе обработки горючего газа и способе обработки горючего газа.

Система обработки горючего газа содержит средство каталитического сжигания для приема кислородсодержащего горючего газа, который содержит кислород в добавление к горючему газу в качестве его основного компонента, заставляющее этот кислородсодержащий горючий газ контактировать с катализатором окисления для его частичного сгорания с получением результирующего, частично сожженного газа в качестве сжимаемого горючего газа. Изобретение обеспечивает удаление кислорода до исключительно низкой концентрации из кислородсодержащего горючего газа. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил., 3 пр.

1. Система обработки горючего газа для получения сжимаемого горючего газа, содержащего заданный горючий газ в качестве его основного компонента, подлежащего сжатию компрессором в сжатый горючий газ, отличающаяся тем, что данная система содержит средство каталитического сжигания для приема кислородсодержащего горючего газа, который содержит кислород в добавление к горючему газу, являющимся его основным компонентом, обеспечивающее контактирование этого кислородсодержащего горючего газа с катализатором окисления для его частичного сгорания с получением, в результате, частично сожженного газа в качестве упомянутого сжимаемого горючего газа.

2. Система обработки горючего газа по п.1, отличающаяся тем, что упомянутый горючий газ представляет собой метан или водород.

3. Система обработки горючего газа по п.1 или 2, отличающаяся тем, что данная система дополнительно содержит средство удаления воды для приема сжимаемого горючего газа до его подачи в компрессор и удаления воды из этого сжимаемого горючего газа.

4. Система обработки горючего газа по п.1 или 2, отличающаяся тем, что данная система дополнительно содержит концентрирующее средство для приема исходного газа, содержащего упомянутый горючий газ и кислород, и концентрирования горючего газа, содержащегося в исходном газе, с помощью адсорбента, производя, таким образом, в результате, концентрированный газ в качестве упомянутого кислородсодержащего горючего газа.

5. Система обработки горючего газа по п.4, отличающаяся тем, что упомянутое концентрирующее средство включает в себя адсорбционную колонну, заполненную адсорбентом, предпочтительно адсорбирующим горючий газ, и упомянутое концентрирующее средство выполнено с возможностью выполнения в попеременном повторении адсорбирующую операцию, заставляя исходный газ проходить внутри адсорбционной колонны, и десорбирующую операцию для выпуска кислородсодержащего горючего газа изнутри адсорбционной колонны при давлении, меньшем, чем давление, используемое в упомянутой адсорбирующей операции.

6. Система обработки горючего газа по п.1, отличающаяся тем, что данная система дополнительно содержит средство ввода для ввода газа, содержащего водород и/или пар, в упомянутый кислородсодержащий горючий газ, подаваемый в упомянутое средство каталитического сжигания.

7. Система обработки горючего газа по п.6, отличающаяся тем, что упомянутое средство ввода выполнено с возможностью осуществления парового реформинга части кислородсодержащего горючего газа, превращая этот газ в газ, содержащий водород и пар, и затем вводя полученный газ в другую часть кислородсодержащего горючего газа, иную, чем его часть, подлежащая подачи в упомянутое средство каталитического сжигания.

8. Система обработки горючего газа по п.6 или 7, отличающаяся тем, что упомянутый горючий газ представляет собой метан и упомянутый кислородсодержащий горючий газ представляет собой кислородсодержащий метановый газ, который содержит метан в качестве его основного компонента и содержит также кислород, и упомянутый сжимаемый горючий газ представляет собой сжимаемый метановый газ, который содержит метан в качестве его основного компонента.

9. Способ обработки горючего газа для получения сжимаемого горючего газа, содержащего заданный горючий газ в качестве его основного компонента, подлежащего сжатию компрессором в сжатый горючий газ, отличающийся тем, что осуществляют этап каталитического сжигания, принимая кислородсодержащий горючий газ, который содержит кислород в добавление к горючему газу, являющимся его основным компонентам, обеспечивая контакт этого кислородсодержащего горючего газа с катализатором окисления для его частичного сгорания с производством, в результате, частично сожженного газа в качестве упомянутого сжимаемого горючего газа.

10. Способ обработки горючего газа по п.9, отличающийся тем, что упомянутый горючий газ представляет собой метан и упомянутый кислородсодержащий горючий газ представляет собой кислородсодержащий метановый газ, который содержит метан в качестве его основного компонента и содержит также кислород, и упомянутый сжимаемый горючий газ представляет собой сжимаемый метановый газ, который содержит метан в качестве его основного компонента; и
данный способ содержит введение газа, содержащего водород и/или пар в упомянутый кислородсодержащий метановый газ до его частичного сжигания посредством его контакта с упомянутым катализатором окисления, причем обеспечивают контакт упомянутого кислородсодержащего метанового газа, смешанного с упомянутым газом с упомянутым катализатором окисления для частичного сгорания.