СПОСОБ И ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ДЫМОВОМ ГАЗЕ В ПРИРОДНЫЙ ГАЗ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИЗБЫТОЧНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2016 года по МПК C10L3/06 C10L3/08 C07C1/12 C07C9/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к технологии преобразования энергии промышленного отходящего газа с использованием избыточной энергии, происходящей из производства энергии из возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, гидроэнергия, ветровая энергии, и т.д., и, более конкретно, относится к способу и устройству для преобразования диоксида углерода из отходящего газа в природный газ с использованием избыточной энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В настоящее время, в глобальном совокупном потреблении энергии более 16 миллиардов тонн условного топлива ежегодно, на ископаемые топлива, такие как уголь, нефть и природный газ, и т.д., приходятся свыше 90%, не исключая Китай, тем самым приводя к чрезвычайно большим количествам выбросов диоксида углерода. С 21-го столетия одной из острейших проблем, вставших перед человечеством, является парниковый эффект, обусловленный выбросами диоксида углерода, который имеет результатом глобальное потепление, изменение климата, а также глобальные экологические проблемы, всесторонне влияющие на окружающую среду, экономику и общество. В 2010 году глобальные выбросы диоксида углерода возросли до более 30,6 миллиардов тонн, и Китай стал страной с наивысшим уровнем выбросов диоксида углерода, но количество выбросов по-прежнему возрастало. Ввиду всеобщего дефицита энергии и все усугубляющихся серьезных экологических проблем, вызванных выбросами диоксида углерода, люди вынуждены искать пути разрешения таких проблем.

[0003] Для разрешения вышеуказанных проблем беспрецедентно расширяется применение возобновляемой энергии. Согласно неполным статистическим данным по Китаю, в настоящее время доля энергии неископаемых источников, такой как гидроэнергия, ядерная энергия, ветровая энергия и солнечная энергия, и т.д., в совокупном потреблении первичной энергии возрастая от года к году, будет увеличиваться от современных 8,3% до 11,4% в ходе выполнения двенадцатого пятилетнего плана, и достигнет 15% к 2020 году. Для достижения этой цели непременно нужно разрабатывать возобновляемые источники энергии.

[0004] Однако, согласно публикации «Supervision Report of Wind Power Generation and Photovoltaic Power Generation («Отчет о надзоре за выработкой ветровой энергии и генерированием фотогальванической энергии»)», изданной State Electricity Regulatory Commission (Государственной регламентационной комиссией по электроэнергии) в 2011 году, в прошедшей половине года не менее 2,776 миллиарда кВт-часов ветровой энергии не смогли быть использованными населением Китая. Государственная регламентационная комиссия по электроэнергии констатировала, что вследствие отсутствия специальной схемы доставки ветровой энергии и аккомодации ветровой энергии во все возрастающей степени проявляется несоответствие между крупномасштабными доставкой и аккомодацией ветровой энергии, и препятствия в подключении к энергетическим системам стали одной из ключевых проблем, ограничивающих развитие ветровой энергии.

[0005] В отношении гидроэнергии, в Китае построено не менее 28 гидроэлектростанций с мощностью более 500000 кВт, с совокупной проектной мощностью не менее 50,98 миллионов кВт. В 2010 году запланированная общая установленная мощность 12 основных гидроэнергетических узлов (в том числе существующих) составила 205,232 миллионов кВт, и годовая выработка электроэнергии составляла 945,88 миллиарда кВт-часов в Китае. В сезон дождей гидроэнергетика обеспечивает достаточный уровень выработки энергии, но невозможно подавать так много электроэнергии в период дождей, что приводит к очень низкому тарифу на поставку электроэнергии в сеть и к потерям электрической энергии или отключению оборудования.

[0006] Что касается генерирования солнечной энергии, установленная мощность на рынке выработки фотогальванической энергии достигла 400 МВт в Китае в 2010 году, составляющих 3% общей мировой установленной мощности. Согласно планированию в Управлении Национальной Энергетики, установленная мощность источников солнечной энергии в Китае достигнет свыше 10 миллионов кВт к 2015 году, и более 40 миллионов кВт к 2020 году. Но некоторая часть электроэнергии будет связана с проблемами недостаточного развития подключений к энергетическим системам.

[0007] Квалифицированные специалисты в этой области технологии всегда пытались разрешить проблему того, как обеспечить полное использование вышеуказанного избытка энергии, возникающего при выработке энергии из возобновляемых источников, и, кроме того, эффективно достигать цели экономии энергии, сокращения выбросов и уменьшения парникового эффекта.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0008] Одна цель изобретения состоит в устранении недостатков в отношении генерирования энергии из возобновляемых источников, таких как препятствия в подключении к энергетическим системам, или трудности сохранения кратковременного избытка энергии, и в разрешении той проблемы, что энергия ископаемых источников приводит к загрязнению окружающей среды, обусловленному парниковыми газами, и в создании способа и устройства для преобразования диоксида углерода из отходящего газа в природный газ с использованием избыточной энергии.

[0009] Для достижения вышеуказанной цели ключевая идея способа, разработанного в изобретении для преобразования диоксида углерода из отходящего газа в природный газ с использованием избыточной энергии, состоит в том, чтобы в первую очередь генерировать водород посредством электролиза воды с использованием избыточной энергии, и затем синтезировать природный газ, удобный для хранения или транспортирования, путем реакции образования метана между водородом и диоксидом углерода, выделенным из промышленного отходящего газа, что также обеспечивает рациональное использование диоксида углерода, отделенного от промышленного отходящего газа. Способ включает следующие стадии, в которых:

[0010] 1) выполняют трансформацию напряжения и выпрямление избыточной электроэнергии, которая выработана из возобновляемого источника энергии, и которую затруднительно хранить или подключить к энергетическим сетям, направляют избыточную энергию в раствор электролита для электролиза воды в нем на Н₂ и O₂, и полностью удаляют воду из Н₂;

[0011] 2) проводят очистку промышленного отходящего газа для отделения из него CO2, и очищают выделенный из него CO2;

[0012] 3) подают Н₂, генерированный в стадии 1), и CO2_; отделенный в стадии 2), в оборудование для синтеза, включающее по меньшей мере два реактора со стационарным слоем, чтобы в результате высокоэкзотермической реакции метанирования между Н₂ и CO2 получить высокотемпературную газовую смесь с основными компонентами СН₄ и водяным паром;

[0013] 4) используют высокотемпературную газовую смесь, генерированную в стадии 3), для проведения косвенного теплообмена с технологической водой для получения перегретого водяного пара;

[0014] 5) подают перегретый водяной пар, полученный в стадии 4), в турбину для выработки электрической энергии, и возвращают электрическую энергию в стадию 1) для трансформации напряжения и выпрямления тока, и для электролиза воды; и

[0015] 6) конденсируют и высушивают газовую смесь в стадии 4), охлажденную в результате теплообмена, для получения природного газа с содержанием СН₄ вплоть до стандартного. Природный газ (SNG, синтетический природный газ) может быть направлен в существующую газопроводную сеть для природного газа путем закачки под давлением, или в виде сжатого или сжиженного природного газа (LNG) для транспортирования.

[0016] Кроме того, в стадии 1) возобновляемую энергию выбирают из солнечной энергии, гидроэнергии, ветровой энергии, или их комбинации. Эти виды возобновляемой энергии являются наиболее благоприятными для окружающей среды, наиболее дешевыми и самыми надежными. Раствор электролита предпочтительно представляет собой раствор гидроксида калия или подобные растворы с плотностью 1,2-1,4 кг/м³. Реакционную температуру раствора электролита регулируют на величину 90±2°С, и механизм реакция электролиза воды является следующим: 2H₂O=2H₂↑+O₂↑.

По сравнению с чистой водой, раствор электролита может значительно снизить температуру реакции электролиза и обеспечить экономию потребляемой электроэнергии. После удаления влаги и охлаждения полученных Н₂ и O₂, Н₂ может быть использован для реакции в следующей стадии, тогда как O₂ может представлять собой побочный продукт для другого варианта применения.

[0017] Кроме того, разнообразные параметры реактора со стационарным слоем на каждом этапе в стадии 3) являются следующими: температура на входе: 250-300°С, давление реакции: 3-4 МПа, температура на выходе: 350-700°С. Механизм реакции метанирования Н₂ и CO2 является следующим: 4Н₂+CO2=СН₄+2H₂O+4160 кДж/кг CO2. В конкретном режиме работы их смесь, как правило, в объемном соотношении Н₂:CO2=4:1 подают в реактор со стационарным слоем для высокоэкзотермической реакции в присутствии катализатора на основе никеля или подобного катализатора, при которой выделяется большое количество теплоты, так что температура полученной газовой смеси значительно возрастает. Для обеспечения полноты взаимодействия между Н₂ и CO2 и повышения эффективности использования Н₂ предусматриваются по меньшей мере две ступени реакторов со стационарным слоем.

[0018] Кроме того, в стадии 3) часть высокотемпературной газовой смеси из первичного реактора со стационарным слоем перепускают для охлаждения, удаления воды, сжатия и нагревания, и затем смешивают со свежими Н₂ и CO2, чтобы газовую смесь транспортировать обратно в первичный реактор со стационарным слоем после того, как объемное содержание CO2 в нем составляет 6-8%. Этим путем, с одной стороны, свежие Н₂ и CO2 могут быть предварительно нагреты возвращаемым высокотемпературным газом для экономии энергопотребления; с другой стороны, теплоту реакции можно регулировать путем корректирования объемного содержания CO2, тем самым контролируя наивысшую температуру на выходе из реактора со стационарным слоем, чтобы не дезактивировать катализатор при допустимой температуре для обеспечения стабильной работы реактора со стационарным слоем.

[0019] Кроме того, в вышеуказанной стадии 4) сначала нагревают технологическую воду до получения перегретой воды, которую затем преобразуют в водяной пар, и, наконец, водяной пар преобразуют для получения перегретого водяного пара. Этим путем технологическую воду непрерывно, стабильно и надежно преобразуют в перегретый водяной пар для обеспечения того, что турбина всегда будет вырабатывать энергию без перерыва. Генерированная тем самым электрическая энергия продолжает использоваться для электролиза воды, так что большое количество теплоты, выделившейся при реакции метанирования, полностью используется для повышения эффективности конверсии возобновляемой энергии.

[0020] Кроме того, в стадии 5) паровой выхлоп, образованный турбиной после приведения ее в движение для производства электроэнергии, конденсируют в воду, и затем направляют обратно в линию для технологической воды для рециркулирования, так что значительно повышается эффективность использования технологической воды, и экономятся водные ресурсы.

[0021] Кроме того, в стадии 6) воду, сконденсированную из газовой смеси, направляют обратно в линию для технологической воды для рециркулирования, благодаря чему можно значительно повысить эффективность использования технологической воды и экономить водные ресурсы.

[0022] Для достижения вышеуказанных целей изобретение также представляет устройство для преобразования диоксида углерода из отходящего газа в природный газ с использованием избыточной энергии. Устройство включает трансформаторное и выпрямительное устройство, электролитическую ячейку, турбину, нагреватель диоксида углерода, первичный реактор со стационарным слоем, вторичный реактор со стационарным слоем, конденсатор природного газа, и линию для технологической воды. Выход трансформаторного и выпрямительного устройства соединен с интерфейсом питания электролитической ячейки, газожидкостный выпуск катода электролитической ячейки соединен с газожидкостным впуском водородного сепаратора, жидкостный выпуск водородного сепаратора соединен с жидкостным флегмовым портом катода электролитической ячейки, выпуск Н₂ водородного сепаратора соединен с впуском охладителя водорода, оба из выпуска охладителя водорода и выпуска нагревателя диоксида углерода соединены с впуском первичного реактора со стационарным слоем, выпуск первичного реактора со стационарным слоем соединен с впуском вторичного реактора со стационарным слоем последовательно через пароперегреватель и линию для газовой смеси первичного теплообменника, и выпуск вторичного реактора со стационарным слоем соединен с впуском конденсатора природного газа последовательно через вторичный теплообменник и линию для газовой смеси подогревателя. Линия для технологической воды присоединена к впуску для водной среды подогревателя, выпуск для водной среды подогревателя соединен с паровым впуском пароперегревателя через камеру для пара, паровой выпуск пароперегревателя присоединен к паровому впуску турбины и электрический выход турбины присоединен к входу трансформаторного и выпрямительного устройства.

[0023] Выпуск для газовой смеси первичного теплообменника предпочтительно оснащен еще и перепускным устройством, соединенным с впуском для теплоносителя циркуляционного теплообменника, выпуск для теплоносителя циркуляционного теплообменника соединен с впуском циркуляционного компрессора через циркуляционный охладитель, выпуск циркуляционного компрессора присоединен к впуску для нагретой среды циркуляционного теплообменника и выпуск для нагретой среды циркуляционного теплообменника соединен с впуском первичного реактора со стационарным слоем. Этим путем часть высокотемпературной газовой смеси, образованной в реакции, может повторно поступать в первичный реактор со стационарным слоем посредством самоциркуляции, чтобы производить предварительное нагревание свежих Н₂ и CO2, сокращать энергопотребление и обеспечивать непрерывное протекание реакции.

[0024] Между первичным реактором со стационарным слоем и вторичным реактором со стационарным слоем предпочтительно предусмотрен промежуточный реактор со стационарным слоем. Впуск промежуточного реактора со стационарным слоем присоединен к выпуску для газовой смеси первичного теплообменника, и выпуск промежуточного реактора со стационарным слоем соединен с впуском вторичного реактора со стационарным слоем через промежуточный теплообменник. Таким образом, фактически предусматриваются трехступенчатые реакторы со стационарным слоем, чтобы распределять скорость реакции метанирования Н₂ и CO2 от ступени к ступени, вплоть до завершения реакции сырьевых материалов. В то же время температура реактора со стационарным слоем может снижаться от ступени к ступени, чтобы получать пар различного качества (по температуре, давлению), и соответствовать техническим условиям турбины.

[0025] Кроме того, выпуск парового выхлопа турбины соединен с линией для технологической воды через конденсатор парового выхлопа, благодаря чему можно экономить водные ресурсы и повышать коэффициент использования технологической воды.

[0026] Кроме того, линия для технологической воды присоединен к газожидкостному выпуску водородного сепаратора. Этим путем вода может подаваться в электролитическую ячейку с помощью водородного сепаратора для компенсации убыли воды в процессе реакции электролиза и охлаждения для отведения теплоты, выделяющейся в процессе реакции электролиза.

[0027] Кроме того, выпуск для конденсированной воды вышеуказанного конденсатора природного газа соединен с впуском для водной среды подогревателя, чтобы экономить водные ресурсы и повышать коэффициент использования технологической воды.

[0028] Изобретение имеет следующие преимущества:

[0029] Во-первых, диоксид углерода, уловленный из промышленного отходящего газа, преобразуют в метановое топливо (то есть основной ингредиент природного газа), удобное для хранения и транспортирования, в результате реакции метанирования из водорода, генерированного электролизом воды с использованием избыточной энергии, полученной при выработке энергии из возобновляемых источников, такой как солнечная энергия, гидроэнергия и ветровая энергия, и т.д. Этим путем метановое топливо легко вводится в существующую трубопроводную систему для природного газа, и также может быть подвергнуто сжатию с образованием сжиженного природного газа (LNG) для транспортирования автоцистернами, благодаря чему эффективно разрешается вышеуказанная проблема препятствий для подключения избыточной энергии к энергетическим сетям, или проблемы затруднительного хранения кратковременно возникающего избытка энергии.

[0030] Во-вторых, в процессе синтеза метана с использованием водорода и диоксида углерода утилизируются огромные количества диоксида углерода в отходящем газе, тем самым с достижением цели сокращения выбросов диоксида углерода, разрешением проблемы сокращения огромных объемов выбросов диоксида углерода, образующихся из ископаемого топлива, и обеспечивая значительные экономические преимущества и общественные выгоды.

[0031] В-третьих, реакции метанирования между водородом и диоксидом углерода являются высокоэкзотермической реакцией, в процессе которой будут выделяться огромные количества теплоты, тепловая энергия используется для получения высокотемпературного перегретого пара для продолжения выработки электроэнергии, и затем электрическая энергия используется для циркуляции при электролизе воды, тем самым значительно улучшая эффективность преобразования возобновляемой энергии.

[0032] В-четвертых, в конечном продукте реакции метанирования водорода и диоксида углерода как топливном природном газе присутствуют только метан и водяной пар и не наличествуют никакие иные токсичные побочные продукты, что может не только обеспечивать качество природного газа, но и сокращать загрязнение окружающей среды, обусловленное парниковым газом.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0033] Фиг. 1 представляет схему конструкции устройства для преобразования диоксида углерода из отходящего газа в природный газ с использованием избыточной энергии; и

[0034] Фиг. 2 представляет схему конструкции еще одного устройства для преобразования диоксида углерода из отходящего газа в природный газ с использованием избыточной энергии.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0035] Далее способ и устройство согласно изобретению подробно иллюстрированы с использованием чертежей и следующих конкретных вариантов исполнения.

Пример 1

[0036] Устройство для преобразования диоксида углерода в природный газ с использованием избыточной энергии, как показано в Фиг. 1, включает трансформаторное и выпрямительное устройство 1, электролитическую ячейку 2, турбину 4, нагреватель 21 диоксида углерода, первичный реактор 13 со стационарным слоем, вторичный реактор 11 со стационарным слоем, конденсатор 8 природного газа и линию 3 для технологической воды. Выход трансформаторного и выпрямительного устройства 1 соединен с интерфейсом питания электролитической ячейки 2. Газожидкостный выпуск анода электролитической ячейки 2 соединен с газожидкостным впуском кислородного сепаратора 20, жидкостный выпуск кислородного сепаратора 20 соединен с жидкостным флегмовым портом анода электролитической ячейки 2, выпуск O₂ кислородного сепаратора 20 соединен с впуском охладителя 19 кислорода, и выпуск охладителя 19 кислорода соединен с автоцистерной под давлением или с устройством для заправки O₂ (на фигуре не показаны) для другого промышленного использования. Газожидкостный выпуск катода электролитической ячейки 2 соединен с газожидкостным впуском водородного сепаратора 18, и газожидкостный впуск водородного сепаратора 18 также соединен с линией 3 для технологической воды для пополнения убыли воды. Жидкостный выпуск водородного сепаратора 18 соединен с жидкостным флегмовым портом катода электролитической ячейки 2, выпуск Н₂ водородного сепаратора 18 соединен с впуском охладителя 17 водорода, выпуск охладителя 17 водорода соединен с выпуском нагревателя 21 диоксида углерода, и также соединен с впуском первичного реактора 13 со стационарным слоем, чтобы транспортировать свежие Н₂ и CO2 в первичный реактор 13 со стационарным слоем.

[0037] Выпуск первичного реактора 13 со стационарным слоем соединен с впуском вторичного реактора 11 со стационарным слоем последовательно через пароперегреватель 6 и линию для газовой смеси первичного теплообменника 7, выпуск для газовой смеси первичного теплообменника 7 к тому же оснащен перепускным устройством, соединенным с впуском для теплоносителя циркуляционного теплообменника 16, выпуск для теплоносителя циркуляционного теплообменника 16 соединен с впуском циркуляционного компрессора 14 через циркуляционный охладитель 15, выпуск циркуляционного компрессора 14 соединен с впуском для нагретой среды циркуляционного теплообменника 16, и выпуск для нагретой среды циркуляционного теплообменника 16 соединен с впуском первичного реактора 13 со стационарным слоем.

[0038] Выпуск вторичного реактора 11 со стационарным слоем последовательно соединен с впуском конденсатора 8 природного газа через вторичный теплообменник 10 и линию для газовой смеси подогревателя 9. Линия 3 для технологической воды соединена с впуском для водной среды подогревателя 9, выпуск для водной среды подогревателя 9 соединен с паровым впуском пароперегревателя 6 через камеру 12 для пара, паровой выпуск пароперегревателя 6 присоединен к паровому впуску турбины 4, и выпуск парового выхлопа турбины 4 соединен с линией 3 для технологической воды через конденсатор 5 парового выхлопа, и электрический выход турбины 4 присоединен к входу трансформаторного и выпрямительного устройства 1 для подачи электрической энергии для электролиза воды. В дополнение, выпуск для конденсированной воды конденсатора 8 природного газа также может быть соединен с впуском для водной среды подогревателя 9 (на фигуре не показан) для направления конденсированной воды обратно в систему для повторного использования.

[0039] Технологический режим работы устройства для преобразования диоксида углерода из отходящего газа в природный газ с использованием избыточной энергии является следующим.

[0040] Избыточную энергию, полученную при выработке энергии из возобновляемых источников, такую как солнечная энергия, гидроэнергия и ветровая энергия и т.д., преобразуют в требуемый ток с помощью трансформаторного и выпрямительного устройства 1 для подведения потребляемой мощности на электролитическую ячейку 2. В электролитической ячейке 2 в качестве раствора электролита используют раствор гидроксида калия с плотностью 1,2-1,4 кг/м³, и температуру реакции регулируют на 90±2°С. Здесь анод и катод электролитической ячейки 2 соответственно генерируют O₂ и Н₂, поступающие в раствор электролита. Раствор электролита избавляют от генерированного в нем O₂ с помощью кислородного сепаратора 20 и направляют обратно в электролитическую ячейку 2 для дальнейшего участия в реакции. После этого O₂ охлаждают в кислородном охладителе 19 до температуры 45°С или тому подобной для удаления воды, и затем направляют в автоцистерну под давлением или в заправочное устройство для промышленного использования. Раствор электролита освобождают от генерированного в нем Н₂ с помощью водородного сепаратора 18 и направляют обратно в электролитическую ячейку 2 для дальнейшего участия в реакции. После этого Н₂ охлаждается в водородном охладителе 17 до температуры 45°С или тому подобной для удаления воды и затем поступает в реакцию в следующей стадии. Убыль воды в результате электролиза компенсируют подачей воды в водородный сепаратор 18 через линию 3 для технологической воды, которая затем пополняет электролитическую ячейку 2, и также используется для охлаждения с отведением теплоты, выделившейся в процессе электролиза воды.

[0041] Между тем выделенный из отходящего газа CO2 очищают, вводят в нагреватель 21 диоксида углерода, нагревают и смешивают с Н₂, очищенным в процессе удаления воды, при объемном соотношении Н₂:CO2=4:1, с образованием свежего газа, который подают в первичный реактор 13 со стационарным слоем для проведения высокоэкзотермической реакции (метанирования). Чтобы регулировать теплоту реакции метанирования Н₂ и CO2, определенное количество СН₄ может быть добавлено в CO2-нагреватель 21, как правило, при объемном соотношении Н₂:CO2:СН₄=4:1:0,5. Добавление СН₄ может быть прекращено после выхода реакции на установившийся режим. Первичный реактор 13 со стационарным слоем поддерживают при температуре на входе 250-300°С, давлении реакции 3-4 МПа и температуре на выходе 600-700°С. В присутствии катализатора на основе никеля большая часть Н₂ реагирует с CO2 с образованием высокотемпературной газовой смеси из СН₄ и водяного пара. Высокотемпературную газовую смесь охлаждают до температуры 250-300°С последовательным пропусканием через пароперегреватель 6 и первичный теплообменник 7 и затем разделяют на две части. Там, где часть высокотемпературной газовой смеси поступает в циркуляционный охладитель 15 через линию для теплоносителя циркуляционного теплообменника 16, ее охлаждают до температуры 30-40°С после теплообмена, подвергают сжатию до давления 3-4 МПа и нагревают до температуры 180-200°С с помощью циркуляционного компрессора 14, наконец, дополнительно нагревают до температуры 250-300°С посредством линии для нагретой среды циркуляционного теплообменника 16, и смешивают со свежими Н₂ и CO2 при таком соотношении, чтобы объемное содержание CO2 в газовой смеси составляло 6-8%. Газовую смесь подают в первичный реактор 13 со стационарным слоем, и цикл повторяют. Предварительное нагревание Н₂ и CO2 в вышеуказанной циркуляции может в значительной мере сократить потребление энергии и регулировать температуру на выходе первичного реактора 13 со стационарным слоем. Еще одну часть высокотемпературной газовой смеси вводят во вторичный реактор 11 со стационарным слоем, который поддерживают при температуре на входе 250-300°С, давлении реакции 3-4 МПа и температуре на выходе 350-500°С, чтобы непрореагировавшие Н₂ и CO2 в нем продолжали реагировать до завершения высокоэкзотермической реакции (метанирования), пока все сырьевые материалы не прореагируют полностью.

[0042] Высокотемпературную газовую смесь из СН₄ и водяного пара из вторичного реактора 11 со стационарным слоем охлаждают последовательным пропусканием через вторичный теплообменник 10 и подогреватель 9, дополнительно охлаждают с помощью конденсатора 8 природного газа, где газообразный СН₄ охлаждается до температуры 45-50°С и вытекает из газовыпуска конденсатора 8 природного газа. СН₄ с чистотой свыше 94% подвергают сжатию до образования SNG/LNG (природный газ/сжиженный природный газ), и транспортируют по линии в существующую трубопроводную систему/автоцистерну для хранения и использования; тогда как конденсированная вода в нем вытекает из выпуска для конденсированной воды конденсатора 8 природного газа, и его направляют во впуск для водной среды подогревателя 9 для повторного использования.

[0043] В вышеуказанном процессе высокоэкзотермической реакции метанирования технологическую воду вводят в подогреватель 9 через линию 3 для технологической воды, и нагревают до образования перегретой воды посредством теплообмена. Перегретую воду транспортируют в камеру 12 для пара по линии для испарения с образованием водяного пара в ней. Водяной пар подают в пароперегреватель 6 по линии для преобразования в перегретый водяной пар при данном давлении с помощью дополнительного нагревания. Перегретый пар поступает в турбину 4 по линии, высокоскоростной перегретый водяной пар действует на лопатки турбины 4, приводя ее во вращение для выработки электроэнергии, генерированную энергию возвращают в трансформаторное и выпрямительное устройство 1 для трансформирования напряжения, выпрямления и дальнейшего использования для электролиза воды, чтобы сделать полным применение отработанной теплоты высокоэкзотермической реакции метанирования. Паровой выхлоп, образовавшийся после приведения турбины в действие для выработки электроэнергии, направляют в конденсатор 5 парового выхлопа и конденсируют в воду, которую направляют обратно в линию 3 для технологической воды для повторного использования.

Пример 2

[0044] Еще одно устройство для преобразования диоксида углерода в природный газ с использованием избыточной энергии, как показано в Фиг. 2, имеет в принципе такие же, как в Примере 1, конструкцию и технологический режим работы, за исключением того, что между первичным реактором 13 со стационарным слоем и вторичным реактором 11 со стационарным слоем предусматривается промежуточный реактор 22 со стационарным слоем. Впуск промежуточного реактора 22 со стационарным слоем соединен с выпуском для газовой смеси первичного теплообменника 7, и выпуск промежуточного реактора 22 со стационарным слоем соединен с впуском вторичного реактора 11 со стационарным слоем через промежуточный теплообменник 23. Таким образом, предусмотрены трехступенчатые реакторы со стационарным слоем, чтобы распределять скорость реакции метанирования между Н₂ и CO2 на три ступени и обеспечивать полноту взаимодействия сырьевых материалов. В то же время может последовательно снижаться температура на входе и выходе трехступенчатых реакторов со стационарным слоем, для достижения соответствующего качества пара (температуры, давления) и соответствия требованиям турбины 4.

Изобретение относится к способу преобразования диоксида углерода в отходящем газе в природный газ с использованием избыточной энергии. Причем способ включает стадии, в которых: 1) выполняют трансформацию напряжения и выпрямление избыточной энергии, которая выработана из возобновляемого источника энергии, и которую затруднительно хранить или подключить к энергетическим сетям, направляют избыточную энергию в раствор электролита для электролиза воды в нем на Н₂ и O₂, и удаляют воду из Н₂; 2) проводят очистку промышленного отходящего газа для отделения из него CO₂, и очищают выделенный из него CO₂; 3) подают Н₂, генерированный на стадии 1), и CO₂, отделенный на стадии 2), в оборудование для синтеза, включающее по меньшей мере два реактора со стационарным слоем, чтобы высокотемпературную газовую смесь с основными компонентами СН₄ и водяным паром получить в результате высокоэкзотермической реакции метанирования между Н₂ и CO₂, причем первичный реактор со стационарным слоем сохраняют при температуре на входе 250-300°С, давлении реакции 3-4 МПа, и температуре на выходе 600-700°С; вторичный реактор со стационарным слоем сохраняют при температуре на входе 250-300°С, давлении реакции 3-4 МПа, и температуре на выходе 350-500°С; причем часть высокотемпературной газовой смеси из первичного реактора со стационарным слоем перепускают для охлаждения, удаления воды, сжатия и нагревания, и затем смешивают со свежими Н₂ и CO₂, чтобы транспортировать газовую смесь обратно в первичный реактор со стационарным слоем после того, как объемное содержания CO₂ в ней составляет 6-8%; 4) используют высокотемпературную газовую смесь, генерированную на стадии 3), для проведения косвенного теплообмена с технологической водой для получения перегретого водяного пара; 5) подают перегретый водяной пар, полученный на стадии 4), в турбину для выработки электрической энергии, и возвращают электрическую энергию на стадию 1) для трансформации напряжения и выпрямления тока, и для электролиза воды; и 6) конденсируют и высушивают газовую смесь на стадии 4), охлажденную в результате теплообмена, до тех пор пока не будет получен природный газ с содержанием СН₄ вплоть до стандартного. Также изобретение относится к устройству. Использование настоящего изобретения позволяет увеличить выход метанового газа. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 пр., 2 ил.

1. Способ преобразования диоксида углерода в дымовом газе в природный газ с использованием избыточной энергии, причем способ включает стадии, в которых:
1) выполняют трансформацию напряжения и выпрямление избыточной энергии, которая выработана из возобновляемого источника энергии, и которую затруднительно хранить или подключить к энергетическим сетям, направляют избыточную энергию в раствор электролита для электролиза воды в нем на Н₂ и О₂, и удаляют воду из Н₂;
2) проводят очистку промышленного дымового газа для отделения из него СО₂, и очищают выделенный из него СО₂;
3) подают Н₂, генерированный на стадии 1), и СО₂, отделенный на стадии 2), в оборудование для синтеза, включающее по меньшей мере два реактора со стационарным слоем, чтобы высокотемпературную газовую смесь с основными компонентами СН₄ и водяным паром получить в результате высокоэкзотермической реакции метанирования между Н₂ и СО₂;
4) используют высокотемпературную газовую смесь, генерированную на стадии 3), для проведения косвенного теплообмена с технологической водой для получения перегретого водяного пара;
5) подают перегретый водяной пар, полученный на стадии 4), в турбину для выработки электрической энергии, и возвращают электрическую энергию на стадию 1) для трансформации напряжения и выпрямления тока, и для электролиза воды; и
6) конденсируют и высушивают газовую смесь на стадии 4), охлажденную в результате теплообмена, до тех пор.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что возобновляемую энергию выбирают из солнечной энергии, гидроэнергии, ветровой энергии или их комбинации.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что раствор электролита представляет собой раствор гидроксида калия с плотностью 1,2-1,4 кг/м³, и температуру реакции раствора электролита регулируют на 90 ± 2ºС.

4. Способ по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что на стадии 3) реакторы со стационарным слоем имеют температуру на входе 250-300ºС, давление реакции 3-4 МПа, и температуру на выходе 350-700ºС.

5. Способ по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что на стадии 3) часть высокотемпературной газовой смеси из первичного реактора со стационарным слоем перепускают для охлаждения, удаления воды, сжатия и нагревания, и затем смешивают со свежими Н₂ и СО₂, чтобы транспортировать газовую смесь обратно в первичный реактор со стационарным слоем после достижения объемного содержания СО₂ в ней 6-8%.

6. Способ по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что на стадии 4) технологическую воду сначала нагревают для получения перегретой воды, которую затем преобразуют в водяной пар, и, наконец, водяной пар преобразуют в перегретый водяной пар.

7. Способ по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что на стадии 5) паровой выхлоп, генерированный турбиной после приведения ее в действие для выработки энергии, конденсируют в воду, и затем направляют обратно в линию для технологической воды для рециркулирования.

8. Способ по п. 1, 2 или 3, отличающийся тем, что на стадии 6) конденсированную воду из газовой смеси направляют обратно в линию для технологической воды для рециркулирования.

9. Устройство для преобразования диоксида углерода из дымового газа в природный газ с использованием избыточной энергии, включающее трансформаторное и выпрямительное устройство (1), электролитическую ячейку (2), турбину (4), нагреватель (21) диоксида углерода, первичный реактор (13) со стационарным слоем, вторичный реактор (11) со стационарным слоем, конденсатор (8) природного газа, и линия (3) для технологической воды, причем
выход трансформаторного и выпрямительного устройства (1) соединен с интерфейсом питания электролитической ячейки, газо-жидкостный выпуск катода электролитической ячейки (2) соединен с газо-жидкостным впуском водородного сепаратора (18), жидкостный выпуск водородного сепаратора (18) соединен с жидкостным флегмовым портом катода электролитической ячейки (2), выпуск Н₂ водородного сепаратора (18) соединен с впуском охладителя (17) водорода, выпуска охладителя (17) водорода и выпуска нагревателя (21) диоксида углерода соединены с впуском первичного реактора (13) со стационарным слоем;
выпуск первичного реактора (13) со стационарным слоем соединен с впуском вторичного реактора со стационарным слоем последовательно через пароперегреватель (6) и линию для газовой смеси первичного теплообменника (7), и выпуск вторичного реактора (11) со стационарным слоем соединен с впуском конденсатора (8) природного газа последовательно через вторичный теплообменник (10) и линией для газовой смеси подогревателя (9); и
линия (3) для технологической воды соединена с впуском для водной среды подогревателя (9), выпуск для водной среды подогревателя (9) присоединен к паровому впуску пароперегревателя (6) через камеру для пара, паровой выпуск пароперегревателя (6) соединен с паровым впуском турбины (4), и электрический выход турбины (4) соединен со входом трансформаторного и выпрямительного устройства (4).

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что выпуск для газовой смеси первичного теплообменника оснащают перепускным устройством, соединенным с впуском для теплоносителя циркуляционного теплообменника (16), выпуск для теплоносителя циркуляционного теплообменника (16) соединен с впуском циркуляционного компрессора (14) через циркуляционный охладитель (15), выпуск циркуляционного компрессора (14) соединен с впуском для нагретой среды циркуляционного теплообменника (16), и выпуск для нагретой среды циркуляционного теплообменника (16) соединен с впуском первичного реактора (13) со стационарным слоем.

11. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что между первичным реактором (13) со стационарным слоем и вторичным реактором (11) со стационарным слоем предусмотрен промежуточный реактор (22) со стационарным слоем; впуск промежуточного реактора (22) со стационарным слоем соединен с выпуском для газовой смеси первичного теплообменника (7), и выпуск
промежуточного реактора (22) со стационарным слоем соединен с впуском вторичного реактора (11) со стационарным слоем через промежуточный теплообменник (23).

12. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что выпуск парового выхлопа турбины (4) соединен с линией (3) для технологической воды через конденсатор (5) парового выхлопа.

13. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что линия (3) для технологической воды соединена с газо-жидкостным впуском водородного сепаратора (18).

14. Устройство по п. 9 или 10, отличающееся тем, что выпуск для конденсированной воды конденсатора (8) природного газа соединен с впуском для водной среды подогревателя (9).