УГЛЕРОДНЕЙТРАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С ЖИДКИМ ЭНЕРГОНОСИТЕЛЕМ Российский патент 2023 года по МПК C10J3/20 C10J3/58 

Изобретение относится к области энергетики, а именно - к области альтернативной энергетики, и может быть использовано при производстве энергии из биомассы

Главным направлением развития современной энергетики является переход к низкоуглеродным технологиям получения энергии. Приоритетное значение в этом направлении отводится водородной энергетике. Известны углероднейтральные энергетические системы на базе использования водорода. Такие системы защищены блоками патентов на изобретения. В принципе, прототипом заявляемого технического решения может быть принята энергетическая система, описанная в [А. Кочетов. В России собираются осуществить самый масштабный проект в истории мировой энергетики / Энергетика и промышленность России. - 09.08.2021.]. Данная система содержит генератор, производящий энергоноситель, устройства для его накопления, устройства транспорта энергоносителя к потребителям и устройства генерации электрической и тепловой энергии из энергоносителя на территории потребителей.

Преимуществами известной системы является ее высокая экологическая эффективность: водород, используемый в качестве топлива для тепловых машин, при генерации электрической и тепловой энергии не дает вредных выбросов в атмосферу.

Известен (RU, патент 2596605, опубл. 10.01.2016) водородный генератор электрической энергии, содержащий последовательно соединенные преобразователь воды в водород, камеру сжигания водорода и преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию, причем камера сжигания водорода выполнена в виде плазменной горелки, снабженной воздухозаборными прорезями, а преобразователь тепловой энергии продуктов горения водорода в электрическую энергию выполнен в виде магнитного преобразователя, содержащего диэлектрическую трубу прямоугольного сечения, внутри которой с двух противоположных сторон установлены разноименные по заряду пластины электрического конденсатора, а на внешней стороне трубы с двух других противоположных сторон - магниты, которые ориентированы друг к другу разноименными полюсами, причем плазменная горелка соединена соосно и встык с диэлектрической трубой магнитного преобразователя, электрический конденсатор которого по потенциальным выходам соединен с электрическими выходами водородного генератора.

Известен также (RU, патент 2510876, опубл. 10.04.2014) автономный генератор водорода, работающий за счет реакции восстановления водорода из воды алюминием, имеющий реакционный сосуд, магистраль подачи водного раствора кристаллогидрата метасиликата натрия, магистраль выдачи водорода. Он состоит из двух сочлененных камер, нижняя камера представляет собой реакционный сосуд с гидрореакционной гетерогенной композицией, верхняя камера содержит водный раствор кристаллогидрата метасиликата натрия, который с помощью резьбового регулятора подается в реакционный сосуд.

Использование водорода, получаемого по существующим технологиям, имеет ряд ограничений. В первую очередь это ценовые показатели. Стоимость электроэнергии, получаемой с использованием водорода, производимого по существующим технологиям, будет выше тех цен, по которым электроэнергия отпускается потребителям в настоящее время. Производство водорода из природного газа, нефти или угля связано со значительными выбросами двуокиси углерода. Экологически безопасных технологий утилизации данных газов не существует. Идея о подземном захоронении СО₂ не может быть признана правомерной. Выбросы СО₂ в атмосферу считаются вредными для экологического равновесия. При этом подземное захоронение данного газа считается безвредным и рассматривается в качестве решения проблемы утилизации данного газа. Очевидно, что эта процедура не может быть безвредной с точки зрения исходного природного равновесия для внутренних слоев земли. В принципе, объяснение процессов, приводящих к изменению природного равновесия в толще земли при закачке двуокиси углерода в литературе изложено в [. В.М. Батенин, Л.А Вытнова, В.М. Зайченко и др. Комплексная переработка природного газа: новые подходы и перспективы применения. Препринт ОИВТ РАН №8-455, М. 2001. Стр. 18-22]. Существенным ограничением использования водорода в качестве топлива в электропроизводящем оборудовании является возникновение детонационных явлений. Это характерно, в частности, для газопоршневых установок (ГПУ), являющихся основой распределенной энергетики [В.М. Зайченко, А.А. Чернявский. Создание систем гарантированного энергообеспечения с использованием комбинированных источников энергии / Энергетическая политика. - 2020. - №10, с. 90-103]. Не менее серьезным ограничением использования водорода в качестве топлива выступает явление так называемого водородного охрупчивания, разрушение элементов металлических конструкций при взаимодействии с водородом при повышенных температурах.

В рассматриваемом техническом решении предлагается заменить водород на метанол, который производится из синтез-газа, получаемого по технологии двухстадийной термической конверсии биомассы (ДТКБ) [Батенин В.М., Бессмертный А.В., Зайченко В.М. и др., Термические методы переработки древесины и торфа в энергетических целях. // Теплоэнергетика. 2010. №11. С. 36-42; Батенин В.М., Зайченко В.М., Косов В.Ф. и др. Пиролитическая конверсия биомассы в газообразное топливо // Доклады Академии наук. 2012. Т. 446. №2. С. 179; Larina О.М., Sinelshchikov V.A., Sitchev G.A. Comparison of Thermal Conversion Methods of Different Biomass Types into Gaseous Fuel // Journal of Physics Conference Series. T 774, №1, 2016], предложенной Объединенным институтом высоких температур Российской академии наук (ОИВТ РАН) и ПАО «Татнефть», являющейся аналогом заявляемого технического решения.

В качестве исходного сырья для получения синтез-газа используется биомасса, в основном, в виде отходов различных производств: лесообработки, деревопереработки, сельхозпереработки, пищевой промышленности, органической части твердых коммунальных отходов, отходов жизнедеятельности крупного рогатого скота, сельхоз птицы и т.п.Такое сырье является либо практически бесплатным, либо за его вывоз, как отходов (мусора), предприятия производят плату по установленным для каждого из регионов тарифам. В соответствии с этим себестоимость синтез-газа, получаемого по технологии ДТКБ, оказывается значительно меньше, чем стоимость синтез-газа, получаемого традиционным способом, например, из природного газа.

Ближайшим аналогом разработанного технического решения можно признать (RU, патент 2674158, опубл. 05.12.2018), характеризующий установку для получения жидких углеводородов из биомассы, содержащую последовательно соединенные блоки: блок получения синтез-газа (СГ), блок очистки и осушки СГ и блок синтеза углеводородов, причем в блоке получения СГ реализован процесс двухстадийной термической конверсии биомассы в синтез-газ, сочетающий пиролиз с высокотемпературным крекингом летучих продуктов на коксовом остатке перерабатываемого сырья, а блок синтеза углеводородов включает в себя два последовательно соединенных реактора - реактор синтеза оксигенатов (метанола, ДМЭ) и легких углеводородов бензинового ряда (Р1) и реактор синтеза ароматических углеводородов (Р2) из оксигенатов, образующихся в первом реакторе, после их отделения от углеводородной части продукта, при этом ароматические углеводороды, образующиеся в Р2, в различных пропорциях смешивают с углеводородами бензинового ряда, образующимися в первом реакторе, с образованием углеводородной (у/в) смеси, используемой в дальнейшем как исходный компонент авиабензина.

В известном патенте предложена схема установки для конверсии биомассы в жидкие топлива. В качестве метода конверсии рассматривается технология ДТКБ. Установка включает блок получения синтез-газа, блок очистки, сушки синтез газа и блок синтеза углеводородов. В установке реализуется процесс двухстадийной термической конверсии биомассы в синтез-газ, сочетающий пиролиз с высокотемпературным крекингом летучих продуктов на коксовом остатке перерабатываемого сырья, и блок синтеза углеводородов.

Синтез-газ, получаемый по технологии ДТКБ, включает два основных горючих компонента - водород (Н₂) и монооксид углерода (СО). Режим работы реакторов получения синтез-газа (вид обрабатываемой биомассы, температура, давление, скорость подачи биомассы) устанавливают таким образом, чтобы получить соотношение компонентов по объему порядка 2,0 к 1,0. Опыты по исследованию режимных параметров данной технологии показали, что для некоторых видов биомассы, данное соотношение может быть получено, в частности при переработке осадков сточных вод и некоторых видов древесных отходов.

Из синтез-газа, получаемого по технологии ДТКБ, в генераторе энергоносителя в присутствии катализатора синтезируется метанол, который может запасаться в соответствующих емкостях.

Метанол далее используется в качестве жидкого топлива для работы дизель-генераторных установок (ДГУ). Такие ДГУ широко используются в составе маломощных автономных электростанций на удаленных территориях, не обеспеченных централизованным энергоснабжением. При этом доставка дизельного топлива в районы их размещения часто оказывается дороже стоимости самого топлива, и себестоимость получаемой электроэнергии становится весьма высокой, и доходит до 40-100 руб./кВтч [Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект». - 2011. 168 с., ил.]. В то же время, в каждом из этих удаленных районов всегда имеются те или иные виды биомассы и ее отходов, пригодные для получения синтез-газа и синтеза из него метанола.

Биомасса является углерод-нейтральным продуктом, количество углекислого газа, которое выделяется при сжигании биомассы или получаемых из нее биотоплив равно количеству поглощенного из атмосферы углекислого газа при росте растений. Использование биомассы в энергетике не нарушает природного экологического равновесия на Земле, в отличие от использования ископаемого углеводородного топлива, добываемого из глубинных слоев земли. Так, при сгорании метанола образуются пары воды и углекислый газ. Но, поскольку, последний имеет в своей основе углероднейтральную биомассу, то процесс сжигания метанола (точнее - биометанола) также является углероднейтральным.

Недостатком известного технического решения следует признать получение загрязненного сернистыми соединениями продукта.

Техническая проблема решаемая с использованием разработанной системы, состоит в получении чистого синтез-газа.

Технический результат, достигаемый при реализации разработанной энергетической системы, состоит в повышении точности состава полученного синтез-газа.

Для достижения указанного технического результата предложено использовать разработанную углероднейтральную энергетическую систему. Система включает процесс двухстадийной термической конверсии биомассы в синтез-газ, сочетающий пиролиз с высокотемпературным крекингом летучих продуктов на коксовом остатке перерабатываемого сырья и блок синтеза метанола, при этом используют двухстадийную очистку, причем на первой стадии проводят восстановление серосодержащих соединений до сероводорода, а на второй стадии проводят адсорбцию сероводорода.

В некоторых вариантах реализации разработанной системы для корректировки состава синтез-газа, полученного двухстадийной конверсией биомассы и очищенного от сернистых соединений, используют низкотемпературную паровую конверсию монооксида углерода

Использование в энергетике метанола, получаемого из биомассы, является экологически чистым процессом: метанол, синтезируемый при использовании технологии ДТКБ, может заменить водород, применяемый в качестве топлива в водородной энергетике. При этом системы с использованием метанола будут экономически более эффективными, чем системы с применением водорода в процессах и аппаратах водородной энергетики.

Технология ДТКБ получения горючего газа из биомассы, значительно более эффективна, чем известные технологии пиролиза и газификации. Данная технология осуществляется следующим образом. На первой стадии производится пиролиз биомассы при температурах до 900°С с образованием газообразных, жидких и твердых продуктов реакции. Жидкие продукты пиролиза состоят из набора высокомолекулярных углеводородных соединений C_nH_m и пирогенетической воды. Эти продукты находятся в паровой фазе.

На второй технологической стадии газообразные продукты реакции пиролиза, состоящие из конденсируемой и неконденсируемой частей, продуваются при температуре около 1000°С через получаемую в данном процессе твердую углеродную фазу. При этом, пирогенетическая вода, находящаяся в паровой фазе, взаимодействует с углеродом с образованием водорода и окиси углерода:

С+H₂O=CO+H₂.

Высокомолекулярные соединения, входящие в состав конденсируемой части, пиролизируются при прохождении через засыпку высокотемпературного углерода с образованием водорода и окиси углерода:

C_nH_m+H₂O=СО+H₂.

Таким образом, осуществляется конверсия жидких и твердых продуктов реакции пиролиза в водород и окись углерода. Это обеспечивает безотходную переработку биомассы с получением высококалорийных энергетических газов. Свойства этих газов в зависимости от температуры ведения процессов изменяются, как показано в табл. 1.

Основным достоинством технологии ДТКБ является высокая степень конверсии перерабатываемой биомассы в энергетический газ - промежуточный энергоноситель. В существующих технологиях, например пиролиза, эта величина не превышает 18%, в технологии ДТКБ порядка 80%. Суммарный выход горючих газов составляет 1,4 м³ на 1 кг биомассы, а средняя теплота сгорания - около 11,5 МДж/нм³.

Последующий синтез метанола из синтез-газа происходит по реакции (упрощенно):

CO+2H₂→CH₃OH.

Метанол, в качестве энергоносителя, в сравнении с водородом имеет ряд положительных свойств. Топливное использование метанола не связано с возникновением детонационных явлений, использование метанола не приводит к коррозионному разрешению металлических конструкций. Метанол может храниться в резервуарах большой емкости (до 10-20 тысяч кубических метров) практически без потерь массы. Транспортировка метанола, как и водорода, может осуществляться по трубопроводам, перевозками с помощью автотранспорта и железнодорожного транспорта, а также водным путем. Объемные теплотворные способности у топливовоздушных горючих стехиометрических смесей метанола и водорода имеют примерно равные значения - порядка 7-8 МДж/кг. Метанол может производиться непосредственно в местах его потребления с использованием многих распространенных повсеместно видов биомассы или ее отходов. Недостатком существующих технических решений, получения метанола из биомассы является то, что при переработке различных видов биомассы образуются азот- и серосодержащие примеси при этом соотношение в реакционных продуктах водорода и окиси углерода может быть различным. Отличием заявляемого технического решения от известных является то, что с целью удаления серосодержащих соединений используется двухстадийная очистка. На первой стадии проводится восстановление серосодержащих соединений до сероводорода. На второй стадии проводится адсорбция сероводорода. Возможно совмещение стадий гидрирования и адсорбции в одном аппарате при послойной загрузке катализаторов. Соотношение объемов послойной загрузки в одном аппарате определяется концентрацией сернистых соединений в полученном синтез-газе.

В заявляемом техническом решении в отличии от известных с целью корректировки состава получаемого синтез-газа, получаемого двухстадийной конверсией биомассы, используется низкотемпературная паровая конверсия монооксида углерода СО+H₂O→H₂+CO₂.

С использованием данного процесса осуществляется изменение содержания водорода в получаемой смеси газов с целью получения оптимального для синтеза метанола соотношения водорода и окиси углерода. Для паровой конверсии монооксида углерода в данном случае можно использовать низкотемпературные катализаторы, которые применяются для удаления остаточного содержания монооксида углерода в дымовых газах. Соотношение синтез-газ/водяной пар является определяющим параметром регулирования конверсии монооксида углерода и получения реакционного газа требуемого состава. Состав синтез-газа для различных исходных соотношений СО и Н₂ по результатам проведенных экспериментов по корректировке состава приведен в таблице 2.

Существуют значительные перспективы топливного использования метанола в нашей стране. Метанол, согласно разрабатываемым технологиям, может быть получен экономически оправданными методами непосредственно из местных топливно-энергетических ресурсов, к которым относятся различные виды биомассы. Для многих регионов нашей страны это гораздо выгодней, чем использование сетевой электроэнергии и дизельных электростанций.

Изобретение относится к области энергетики, а именно - к области альтернативной энергетики, и может быть использовано при производства энергии из биомасс, в частности к углероднейтральной энергетической системе. Система включает процесс двухстадийной термической конверсии биомассы в синтез-газ, сочетающий пиролиз с высокотемпературным крекингом летучих продуктов на коксовом остатке перерабатываемого сырья и блок синтеза метанола. Причем используют двухстадийную очистку, где на первой стадии проводят восстановление серосодержащих соединений до сероводорода, а на второй стадии проводят адсорбцию сероводорода. Технический результат заявленного изобретения заключается в повышении точности состава полученного синтез-газа. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.

1. Углероднейтральная энергетическая система, включающая процесс двухстадийной термической конверсии биомассы в синтез-газ, сочетающий пиролиз с высокотемпературным крекингом летучих продуктов на коксовом остатке перерабатываемого сырья и блок синтеза метанола, отличающаяся тем, что используют двухстадийную очистку, причем на первой стадии проводят восстановление серосодержащих соединений до сероводорода, а на второй стадии проводят адсорбцию сероводорода.

2. Углероднейтральная энергетическая система по п. 1, отличающаяся тем, что для корректировки состава синтез-газа, полученного двухстадийной конверсией биомассы и очищенного от сернистых соединений, используют низкотемпературную паровую конверсию монооксида углерода.