ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК C01B3/24 B01J19/08 H05H1/00 

Описание патента на изобретение RU2699124C1

Группа изобретений относится к области плазмохимии и служит для получения синтез-газа, состоящего преимущественно из монооксида углерода (СО) и водорода (Н2), методом окислительной конверсии природного газа или метана с водой и/или диоксидом углерода или смесью этих компонентов, а также методом парциального окисления метана кислородом в потоке плазмы.

Синтез-газ является одним из основных компонентов органического синтеза и служит для производства многих химических и нефтехимических продуктов, таких как метанол и другие оксигенаты, продукты процесса Фишера-Тропша, а также используется для восстановления железной руды.

Существует множество различных схем получения синтез-газа (Современные методы получения синтез-газа и процесс Фишера-Тропша / Миргаязов И.И., Абдуллин А.И. / Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. №9. С. 258-261). Среди них - газификация угля и углеродсодержащих продуктов, конверсия метана, а также парциальное окисление углеводородов. Конверсия метана водой является эндотермическим процессом:

также, как и конверсия диоксидом углерода:

Парциальное окисление кислородом идет по экзотермической реакции:

Так как реакции (а) и (б) эндотермические, то для их осуществления необходим подвод энергии. Для реакции (в) использование плазмотрона обусловлено повышением выхода полезного продукта при повышении адиабатической температуры.

Известен способ микроволновой конверсии метан-водяной смеси в синтез-газ, раскрытый в патенте RU 2513622 С2, опубл. 20.04.2014. Преимущество известного решения заключается в повышении эффективности за счет использования водного аэрозоля, подаваемого непосредственно в реакционную зону и отсутствия необходимости предварительного парообразования. К недостаткам изобретения следует отнести то, что использование микроволнового излучения значительно усложняет всю технологию, а также снижает КПД процесса при необходимости работы на больших мегаваттных мощностях.

Наиболее близким аналогом предлагаемой группы изобретений является плазмохимический способ получения синтез-газа и установка для его осуществления, раскрытые в статье авторов: Ф.Г. Рутберг, А.Н. Братцев, В.А. Кузнецов [и др.] «Получение синтез-газа конверсией метана в плазме водяного пара и диоксида углерода». Письма в ЖТФ, 2014, том. 40, вып. 17. При осуществлении известного способа в электродуговой трехфазный генератор плазмы подают водяной пар или смесь водяного пара с углекислым газом (дополнительный исходный компонент), в камеру смешения, установленную после генератора плазмы, подают метан (основной компонент) и осуществляют плазмохимическое взаимодействие исходных компонентов в струе низкотемпературной плазмы. Установка состоит из трехфазного электродугового генератора и проточного реактора с камерой смешения. Недостатком изобретения является необходимость предварительной подготовки перегретого пара, что в случае большой производительности процесса при больших мощностях требует организации инфраструктуры для подготовки перегретого пара. При этом снижается КПД процесса получения синтез-газа за счет затрат энергии на производство перегретого пара, а также потерь энергии при подаче водяного пара к генератору плазмы. Кроме того производство перегретого пара требует наличия дополнительного горючего, такого как жидкие углеводороды (бензин, мазут и др.) или природного газа (метана), поскольку подогрев и перегрев посредством стандартных электрических парогенераторов имеет низкий КПД.

В отличие от наиболее близкого аналога в предлагаемом способе получения синтез-газа все продукты синтеза подаются непосредственно в плазмотрон, где за счет значительно более высоких температур непосредственно в электродуговых разрядах (в месте их соединения) происходит полная и быстрая конверсия продуктов в синтез-газ. Помимо этого в состав оборудования для получения синтез-газа входит теплообменник-рекуператор, который позволяет понизить удельные энергозатраты на производство электроэнергии, за счет рекуперации энтальпии продукта, совместно с его закалкой, в тепло подаваемого природного газа (метана).

Задачей предлагаемой группы изобретений является создание плазмохимического способа получения синтез-газа с использованием электродугового трехфазного плазмотрона большой мощности и установки для осуществления этого способа.

Технический результат предлагаемой группы изобретений заключается в снижении энергозатрат ~ на 5% при получении синтез-газа с высокой производительностью.

Для решения задачи и обеспечения технического результата предлагается плазмохимический способ получения синтез-газа, при котором в электродуговой трехфазный плазмотрон подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие. Основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов. Полученный синтез-газ охлаждают. При этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент.

Предложена также установка для получения синтез-газа, включающая электродуговой трехфазный плазмотрон, содержащий три дуговые камеры с электродами, соединенные со смесительной камерой, и средства подачи исходных компонентов. Дополнительно содержит теплообменник-рекуператор, внутренний контур которого связан со смесительной камерой плазмотрона, а внешний контур - с дуговыми камерами плазмотрона. При этом в смесительной камере установлена форсунка для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов.

В качестве основного исходного компонента может быть использован метан или природный газ, в качестве дополнительного исходного компонента используют воду или углекислый газ или их смеси или кислород.

Установка для получения синтез-газа схематично представлена на фигуре.

Установка состоит из трехфазного электродугового плазмотрона 1, содержащего три дуговые камеры 2 с электродами (не показаны), соединенные со смесительной камерой 3, и теплообменника-рекуператора 4. Смесительная камера плазмотрона 1 и внутренний контур теплообменника-рекуператора 4 соединены посредством трубопроводов. Плазмотрон 1 может работать от стандартной трехфазной промышленной сети с напряжением 10 кВ. В смесительной камере 3, например, в задней стенке или крышке камеры, установлена форсунка 5 для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры 3 в место соединения трех электродуговых разрядов. Причем дуговые камеры 2 снабжены средствами подачи основного исходного компонента. При этом подача основного компонента может быть осуществлена тангенциально, что обеспечивает закрутку и газовихревую стабилизацию электродуговых разрядов. Дуговые камеры связанны с внешним контуром теплообменника-рекуператора 4 посредством трубопроводов. Проходя внешний контур теплообменника-рекуператора, основной исходный компонент подогревается за счет тепла, высвобождающегося при охлаждении синтез-газа, т.е. основной исходный компонент одновременно является хладагентом для получаемого синтез-газа, что позволяет сократить энергозатраты и материалоемкость процесса.

Предлагаемая установка работает следующим образом. Основной компонент - природный газ или метан поступает из коллектора (на фигуре не показан) с заданным расходом, подается в дуговые камеры 2 с электродами плазмотрона 1. Далее на плазмотрон 1 подается напряжение и зажигаются электродуговые разряды. После установления постоянного режима в смесительную камеру 3 плазмотрона через форсунку 5 подается дополнительный исходный компонент, например, вода. Расход основного компонента задается давлением в коллекторе. Дополнительный исходный компонент подается через струйную форсунку 5, установленную в смесительной камере 3 плазмотрона таким образом, что струя попадает непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов, где мгновенно испаряется, перемешивается с основным исходным компонентом и вступает с ним в химическую реакцию с образованием синтез-газа. Расход дополнительного исходного компонента задается давлением в коллекторе (на фигуре не показан) перед форсункой 5. Такой способ подачи компонентов обеспечивает строгое соблюдение соотношения компонентов, а также упрощает систему запуска. Рабочий процесс организован таким образом, что в смесительной камере плазмотрона температура газовой смеси достигает 1600 К, что обеспечивает достаточно полную конверсию (до 98%) исходных компонентов в конечный продукт в виде синтез-газа.

Предлагаемая группа изобретений обеспечивает упрощение процесса получения синтез-газа и повышения его надежности за счет исключения части элементов, таких как парогенератор, пароперегреватель и соответствующие трубопроводы, а также максимально полную конверсию исходных компонентов в конечный продукт с максимальным КПД и минимальными энергозатратами.

Похожие патенты RU2699124C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПЛАЗМЕННО-КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ 2012
  • Артемов Арсений Валерьевич
  • Крутяков Юрий Андреевич
  • Кулыгин Владимир Михайлович
  • Переславцев Александр Васильевич
  • Кудринский Алексей Александрович
  • Тресвятский Сергей Сергеевич
  • Вощинин Сергей Александрович
RU2504443C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ И/ИЛИ НЕФТЯНЫХ ОСТАТКОВ 2012
  • Артемов Арсений Валерьевич
  • Крутяков Юрий Андреевич
  • Кулыгин Владимир Михайлович
  • Переславцев Александр Васильевич
  • Кудринский Алексей Александрович
  • Тресвятский Сергей Сергеевич
  • Вощинин Сергей Александрович
RU2503709C1
Способ получения водорода и технического углерода из природного газа 2022
  • Кошлаков Владимир Владимирович
  • Ребров Сергей Григорьевич
  • Голиков Андрей Николаевич
  • Федоров Иван Алексеевич
RU2803529C1
Способ получения водорода и ацетилена и установка для его реализации 2021
  • Коротеев Анатолий Сазонович
RU2765466C1
Способ получения низкотемпературной плазмы и горячего газа для физико-химического воздействия на вещества и установка для получения низкотемпературной плазмы и горячего газа для физико-химического воздействия на вещества (варианты) 2020
  • Кондратьев Дмитрий Николаевич
RU2757377C1
СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ГАЗООБРАЗНОГО УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ (ВАРИАНТЫ) 2011
  • Мысов Владислав Михайлович
  • Лукашов Владимир Петрович
  • Фомин Владимир Викторович
  • Ионе Казимира Гавриловна
  • Ващенко Сергей Петрович
  • Соломичев Максим Николаевич
RU2473663C2
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ 2014
  • Разина Галина Николаевна
  • Цеков Олег Олегович
  • Ушин Николай Сергеевич
RU2562252C1
СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ (ВАРИАНТЫ) 2011
  • Мысов Владислав Михайлович
  • Лукашов Владимир Петрович
  • Фомин Владимир Викторович
  • Ионе Казимира Гавриловна
  • Ващенко Сергей Петрович
  • Соломичев Максим Николаевич
RU2458966C1
ТРЕХФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН И СПОСОБ ЕГО ЗАПУСКА 2014
  • Голиков Андрей Николаевич
  • Зайкин Николай Сергеевич
  • Свирчук Юрий Семенович
RU2577332C1
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ПЛАЗМОТРОН 2014
  • Свирчук Юрий Семенович
RU2578197C9

Иллюстрации к изобретению RU 2 699 124 C1

Реферат патента 2019 года ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области плазмохимии, а именно к плазмохимическому способу получения синтез-газа и установке для его осуществления. Способ включает электродуговой трехфазный плазмотрон, в который подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие. Причем основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов. Полученный синтез-газ охлаждают, при этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент. Технический результат заключается в снижении энергозатрат при получении синтез-газа с высокой производительностью 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Формула изобретения RU 2 699 124 C1

1. Плазмохимический способ получения синтез-газа, при котором в электродуговой трехфазный плазмотрон подают основной и дополнительный исходные компоненты и осуществляют их плазмохимическое взаимодействие, отличающийся тем, что основной исходный компонент подают в дуговые камеры, а дополнительный исходный компонент - в смесительную камеру электродугового трехфазного плазмотрона непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов, полученный синтез-газ охлаждают, при этом высвобождающимся при охлаждении синтез-газа теплом подогревают основной исходный компонент.

2. Плазмохимический способ получения синтез-газа по п.1, отличающийся тем, что в качестве основного исходного компонента используют метан или природный газ, в качестве дополнительного исходного компонента используют воду или углекислый газ или их смеси или кислород.

3. Установка для получения синтез-газа, включающая электродуговой трехфазный плазмотрон, содержащий три дуговые камеры с электродами, соединенные со смесительной камерой, и средства подачи исходных компонентов, отличающаяся тем, что дополнительно содержит теплообменник-рекуператор, внутренний контур которого связан со смесительной камерой плазмотрона, а внешний контур - с дуговыми камерами плазмотрона, при этом в смесительной камере установлена форсунка для подачи дополнительного исходного компонента внутрь смесительной камеры непосредственно в место соединения трех электродуговых разрядов.

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что в качестве основного исходного компонента используют метан или природный газ, в качестве дополнительного исходного компонента используют воду или углекислый газ или их смеси или кислород.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2019 года RU2699124C1

Ф.Г
РУТБЕРГ и др
"Получение синтез-газа конверсией метана в плазме водяного пара и диоксида углерода", "Письма в ЖТФ", т
Приспособление с иглой для прочистки кухонь типа "Примус" 1923
  • Копейкин И.Ф.
SU40A1
Печь для сжигания твердых и жидких нечистот 1920
  • Евсеев А.П.
SU17A1
RU 2075432 C1, 20.03.1997
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА 2011
  • Вощинин Сергей Александрович
  • Артемов Арсений Валерьевич
  • Крутяков Юрий Андреевич
  • Переславцев Александр Васильевич
  • Кудринский Алексей Александрович
  • Бульба Владимир Анатольевич
  • Острый Игорь Иванович
  • Павловский Дмитрий Анатольевич
RU2548410C2
ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ТРЕХФАЗНЫЙ ПЛАЗМОТРОН 2014
  • Свирчук Юрий Семенович
RU2578197C9
Спринклерное устройство 1929
  • Лычков Л.И.
SU13786A1

RU 2 699 124 C1

Авторы

Кошлаков Владимир Владимирович

Волков Николай Николаевич

Козаев Алан Шотаевич

Даты

2019-09-03Публикация

2019-01-30Подача