Способ получения водородсодержащего топливного газа с электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсией метана и устройство для его реализации Российский патент 2023 года по МПК C01B3/02 C01B3/24 B01J19/08 F02C3/28 

Изобретение относится к способу получения водородсодержащего газообразного топлива для энергетических и приводных газотурбинных установок с электрической и высокотемпературной конверсией метана природного газа.

Актуально повышение экономичности и экологичности газотурбинных установок за счет увеличения содержания водорода в конвертированном топливном природном газе (Производство водорода из природного газа. machromol.kiev.ua/2012/08/proizvodstvodstvo-vodoroda-iz-prirodnogo-gaza/).

В патенте РФ № 2639397 предложен способ работы газотурбинной установки с использованием топлива метаносодержащей парогазовой смеси. В камеру сгорания подают сжатый воздух и метаносодержащую парогазовую смесь. Теплоту уходящих газов газотурбинной установки используют для выработки перегретого пара высокого давления, его смешивают с природным газом, полученную газопаровую смесь подогревают теплом уходящих газов газовой турбины и пропускают через первый адиабатический каталитический реактор увеличивая до 5% содержание водорода в полученной метано-водородной парогазовой смеси, которую последовательно нагревают до 620 – 680°С теплом выхлопных газов газовой турбины и теплом охлаждения камеры сгорания и подают во второй адиабатический каталитический реактор, увеличивая содержание водорода в метано-водородной смеси выше 20%. Эту смесь подают, как топливный газ, в камеру сгорания газотурбинной установки. Недостатками этого способа является применение двух адибатических каталитических реакторов, увеличивающих стоимость газотурбинной установки, а также недостаточно высокое содержание водорода вметано-водородной смеси.

Известен способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара (Патент РФ №2740755), который осуществляют в три этапа. На первом этапе этого способа перегретый пар высокого давления смешивают с природным газом, при весовом соотношении пара и природного газа 7:1, полученную паро-метановую смесь нагревают до температуры 500-550°С теплом уходящих газов газовой турбины и подают в адиабатический каталитический реактор, где производят паровую каталитическую конверсию паро-метановой смеси с образованием паро-метано-водородной смеси, содержащей до 5% водорода. На втором этапе эту смесь и сжатый воздух подают в первую ступень (форкамеру) камеры сгорания, в горелки которой подают природный газ, сжигают полученную «богатую» топливно-воздушную смесь, при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7, повышая температуру продуктов сгорания до 1300-1350°С и повышая в них долю водорода до 15-20%. На третьем этапе способа, в камере дожигания камеры сгорания сжигают «бедную» топливно-воздушную смесь, при коэффициенте избытка воздуха 1,5-2,5, и повышают долю водорода в продуктах сгорания выше 20%. Затем их разбавляют сжатым воздухом и снижают до требуемой температуру газа перед газовой турбиной.

Недостатком способа является применение перегретого водяного пара и адиабатического каталитического реактора.

Известен электрический активатор природного газа, в котором метан, содержащийся в природном газе, подвергается конверсии с образованием из него синтез-газа, состоящего из водорода и окиси углерода. Этот электрический активатор топлива является плазмоэлектрическим реактором конверсии метана. (Дудышев В.Д. Универсальный электрический активатор топлива для транспорта и теплоэнергетики. www.sciteclibrery.ru/text). Внешний корпус электрического плазмохимического реактора выполнен в виде заземленной стальной трубы. Внутри корпуса находится центральный электрод, связанный соединительным электродом с электрическим блоком высокого напряжения 20 – 40 кВ. Поток природного газа, содержащего метан, проходит через зону коронного электрического разряда высокого напряжения с образованием синтез-газа, который получен при плазмохимической конверсии метана.

Недостатком применения плазмоэлектрического реактора - активатора для конверсии природного газа, является недостаточная доля водорода содержащегося в получаемом синтез-газе.

Известно, что при повышении температуры природного газа выше 900°С, содержащийся в нем метан подвергается термическому разложению с выделением водорода. (chem21.info).

Известен «Многоступенчатый способ получения водородсодержащего газообразного топлива и тепло-газогенераторная установка для его реализации (способ Аракеляна Г.Г.)» патент РФ № 2478688. В этом способе получение водородсодержащего газообразного топлива осуществляют многостадийно. На первом этапе способа, из воды, за счет подвода тепла, получают перегретый пар, его смешивают с углеводородным компонентом, полученную при этом паро-углеродную смесь нагревают до температуры образования из нее водородсодержащего газа. На второй ступени этого способа поджигают водородсодержащий газ, повышают температуру факела до 1000-1300°С, производя первую стадию высокотемпературную конверсию метана с получением из него небольшой доли водорода, на третьей стадии способа производят дожигание этой газовой смеси, повышая температуру факела до 2000 - 2100°С и осуществляя вторую стадию высокотемпературной конверсии метана, содержащегося в продуктах сгорания с увеличением доли водорода в полученном водородсодержащем газообразном топливе.

Преимуществом многостадийного способа получения водородсодержащего газа, является использование в нем высокотемпературной конверсии метана, без применения специальных катализаторов.

Недостатком способа является сложность его реализации, относительно невысокое содержание водорода в получаемой топливной газовой смеси и значительное содержание вредных веществ в продуктах ее сгорания.

В качестве прототипа, предполагаемого изобретения, принят многоступенчатый способ получения водородсодержащего газообразного топлива (патент РФ № 2478688) с использованием в этом способе высокотемпературной конверсии, а также и плазмо-электрической конверсии метана природного газа.

Техническим результатом предлагаемого способа, является получение из природного газа водородсодержащего топливного газа, устранение недостатков прототипа и аналогов, повышение экономичности и экологичности газотурбинных установок.

Технический результат достигается тем, что способ получения водородсодержащего топливного газа, с электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсией метана, его реализуют в три этапа; на первом этапе природный газ с давлением 2,5 - 3 МПа подогревают теплом уходящих газов газовой турбины до 400 – 450°С, конвертируют в коронном электрическом разряде высокого напряжения 20 – 40 кВ с получением синтез-газа; на втором этапе способа в первую ступень камеры сгорания (форкамеру) газотурбинной установки подают меньшую часть воздуха сжатого в компрессоре, в горелки подают синтез-газ и природный газ подают в горелки форкамеры, полученную «богатую» метано-водородно-воздушную топливную смесь поджигают и производят ее неполное сгорание при коэффициенте избытка воздуха 0,6 – 0,7, температуру факела повышают до 1350 - 1400°С с термической конверсией метана и повышением доли водорода в продуктах сгорания до 5 – 7%; на третьем этапе способа во вторую ступень камеры сгорания (камеру дожигания) подают продукты сгорания из форкамеры и большую часть воздуха сжатого в компрессоре, полученную метано-водородно-воздушную смесь сжигают в камер дожигания при коэффициенте избытка воздуха 1,3 -1,5, повышают температуру продуктов сгорания смеси до 1950 - 2000°С и увеличивают долю водорода в продуктах сгорания до 20% за счет высокотемпературной термической конверсии метана; в продукты сгорания вышедшие из камеры дожигания подают разбавляющий сжатый воздух и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной; с помощью системы управления регулируют расход сжатого воздуха, подаваемого в форкамеру, расходы синтез-газа и природного газа подаваемого в ее горелки, расходы сжатого воздуха подаваемого в камеру дожигания ив ее продукты сгорания, а устройство для содержит газотурбинную установку с компрессором, двухступенчатую камеру сгорания, состоящую из первой ступени (форкамеры) с горелками и второй ступени (камеры дожигания), газовую турбину, теплообменник, электрический плазмохимический реактор-активатор, электрический блок высокого напряжения 20 – 40 кВ, устройство управления, связанное импульсными линиями с поворотными лопатками, с поворотными пластинами и с запорно-регулирующими задвижками; поворотные лопатки установлены на входе в форкамеру, горелки которой соединены через запорно-регулирующую задвижку с первым трубопроводом природного газа, а также соединены через запорно-регулирующую задвижку, корпус электрического термохимического реактора-активатора и теплообменник со вторым трубопроводом природного газа; на заземленном корпусе электрического термохимического реактора-активатора установлен магнит, в центральной части корпуса термохимического реактора-активатора установлен центральный электрод, связанный соединительным электродом с электрическим блоком высокого напряжения 20 – 40 кВ.

Схема устройства для реализации предлагаемого способа получения водородсодержащего топливного газа газотурбинной установки приведена на Фиг.1. Здесь: 1 – компрессор, 2 -камера сгорания, 3– первая ступень камеры сгорания (форкамера), 4 - вторая ступень камеры сгорания (камера дожигания), 5 – газовая турбина, 6 – поворотные лопатки, 7 – горелки, 8 - электрический плазмохимический реактор-активатор, 9 - электрический блок высокого напряжения, 10 – теплообменник, 11 – устройство управления, 12 - запорно-регулирующая задвижка на первом трубопроводе природного газа, 13–поворотные пластины, 14 – запорно-регулирующая задвижка на трубопроводе синтез-газа.

На Фиг.2 изображена схема электрического плазмохимического реактора-активатора. Здесь 15 – корпус электрического плазмохимического реактора-активатора, 16– зона коронного электрического разряда, 17 – магнит, 18 - продольный центральный электрод, 19 – изолированный соединительный электрод, 20–камера входа подогретого природного газа.

Выход компрессора 1 связан с входом камеры сгорания 2 и через поворотные лопатки 6 с входом первой ступени камеры сгорания 3 (форкамеры). Первый трубопровод природного газа связан через запорно-регулирующую задвижку на первом трубопроводе природного газа 12 с горелками 7 форкамеры 3. Второй трубопровод природного газа связан через теплообменник 10, камеру входа подогретого природного газа 20, корпус электрического плазмохимического реактора-активатора 15 и запорно-регулирующую задвижку на трубопроводе синтез-газа 14 с горелками 7 форкамеры 3.Выход форкамеры 3 связан по продуктам сгорания с входом второй ступени камеры сгорания (камерой дожигания) 4,связанной по сжатому воздуху с компрессором 1. Выход камеры дожигания 4 связан по разбавляющему сжатому воздуху через поворотные пластины 13 с компрессором 1. Большая часть воздуха, сжатого в компрессоре 1, подается на вход камеры дожигания 4. Смесь продуктов сгорания, вышедших из камеры дожигания 4 и меньшая часть разбавляющего сжатого воздуха из компрессора 1 связаны через поворотные пластины 13 с газовой турбиной 5. Первый трубопровод природного газа соединен через запорно-регулирующую задвижку 12 с горелками 7 форкамеры 3. Второй трубопровод природного газа, через теплообменник 10,электрический плазмохимический реактор-активатор 15 и запорно-регулирующую задвижку на трубопроводе синтез-газа 14, соединен по синтез-газу с горелками 7 форкамеры 3. Устройство управления 11 связано импульсными линиями с поворотными лопатками 6, поворотными пластинами 13, запорно-регулирующими задвижками 12 и 14 (Фиг.1). Внутри корпуса электрического плазмохимического реактора-активатора 15,снабженного магнитом 17, размещен продольный центральный электрод 19, соединенный изолированным соединительным электродом 19 с электрическим блоком 9 высокого напряжения ( 20 – 40 кВ). В зазоре между корпусом реактора-активатора 15 и продольным центральным электродом 18 находится зона коронного электрического разряда 16 (Фиг.2).

Предлагаемый способ получения водородсодержащего топливного газа с электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсией метана и устройство для его реализации осуществляют в несколько этапов следующим образом. Сжатый воздух из компрессора 1 подают в камеру сгорания 2 и разделяют на два потока. Первый поток сжатого воздуха подают через поворотные лопатки 6 в первую ступень камеры сгорания 3 (форкамеру). В ее горелки 7 подают запорно-регулирующую задвижку 12 природный газ. В форкамеру также подают через запорно-регулирующую задвижку 14синтез-газ, полученный в электрическом плазмохимическом реакторе-активаторе 15, с помощью электрического блока высокого напряжения 9. В продукты неполного сгорания топлива вышедшие из форкамеры 3 подают часть потока воздуха, сжатого в компрессоре 3. Полученную смесь продуктов сгорания и воздуха подают и дожигают во второй ступени камеры сгорания (камере дожигания) 4. В продукты сгорания вышедшие из камеры дожигания 4, подают разбавляющий сжатый воздух, регулируя его расход поворотными пластинами 13 и устанавливают требуемую температуру перед газовой турбиной 5. (Фиг.1). В электрическом плазмохимическом реакторе-активаторе 15 размещен продольный центральный электрод 18, на который по изолированному соединительному электроду подается электрический ток высокого напряжения с блока 9. Под действием магнита 17 и высокого напряжения, в электрическом плазмохимическом реакторе-активаторе 15 возникает коронный электрический разряд, обеспечивающий разложение метана, содержащегося в природном газе на водород и окись углерода (синтез-газ). Природный газ, предварительно подогретый в теплообменнике 10 теплом уходящих газов газовой турбины 5 подается в корпус реактора-активатора 15 через камеру входа подогретого газа 20. (Фиг.2).

На первом этапе способа природный газ с давлением 2,5 - 3 МПа подогревают в теплообменнике 10 теплом уходящих газов газовой турбины 5 до 400 – 450°С, подают в плазмохимический реактор-активатор 15, конвертируют в коронном электрическом разряде высокого напряжения (20 – 40 кВ) и получают синтез-газ, состоящий из водорода и окиси углерода. На втором этапе в первую ступень камеры сгорания (форкамеру) 3 газотурбинной установки 5 подают воздух сжатый в компрессоре 1 с давлением 2,5 - 3 МПа. Природный газ, подают в горелки 7 синтез-газ, расходы которых регулируют с помощью устройства управления 11. Полученную «богатую» метано-водородно-воздушную смесь поджигают в форкамере 3 при коэффициенте избытка воздуха 0,6 – 0,7, температуру продуктов сгорания смеси, вышедших из форкамеры 3, повышают до 1350 - 1400°С и увеличивают в них долю водорода до 5 -7%, за счет высокотемпературной конверсии метана. На третьем этапе способа, во вторую ступень камеры сгорания (камеру дожигания) 4 подают продукты сгорания из форкамеры 3 и сжатый воздух из компрессора 1. Полученную «бедную» метано-водородно-воздушную смесь сжигают в камере дожигания 4 при коэффициенте избытка воздуха 1,3 -1,5, при этом температуру факела повышают до 1950 - 2000°С с увеличением доли водорода в продуктах сгорания до 20 %, за счет высокотемпературной конверсии метана. Затем в продукты сгорания подают разбавляющий сжатый воздух, его расход регулируют поворотными пластинами 13 по сигналам устройства управления 11 и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной 5.

Предлагаемый способ позволяет:

- увеличить содержание водорода в топливном газе газотурбинной установки,

- повысить ее экономичность за счет сжигания в камере сгорания природного газа и значительной доли водорода, получаемого при электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсии метана,

- повысить ее экологичность, за счет уменьшения содержания в выхлопных газах вредных веществ и увеличения в них доли водяного пара образующегося при сгорании водорода в кислороде.

Изобретение относится к способу получения водородсодержащего топливного газа, с электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсией метана, который реализуют в три этапа. На первом этапе природный газ с давлением 2,5-3 МПа подогревают теплом уходящих газов газовой турбины до 400–450°С, конвертируют в коронном электрическом разряде высокого напряжения 20–40 кВ с получением синтез-газа. На втором этапе способа в первую ступень камеры сгорания - форкамеру газотурбинной установки подают меньшую часть воздуха, сжатого в компрессоре, в горелки форкамеры подают синтез-газ и природный газ, полученную «богатую» метано-водородно-воздушную топливную смесь поджигают и производят ее неполное сгорание при коэффициенте избытка воздуха 0,6–0,7, температуру продуктов сгорания, вышедших из форкамеры, повышают до 1350-1400°С, с термической конверсией метана и повышением доли водорода в продуктах сгорания до 5–7%. На третьем этапе способа во вторую ступень камеры сгорания - камеру дожигания, подают продукты сгорания из форкамеры и большую часть воздуха, сжатого в компрессоре, полученную метано-водородно-воздушную смесь сжигают в камере дожигания при коэффициенте избытка воздуха 1,3-1,5, повышают температуру продуктов сгорания смеси до 1950-2000°С и увеличивают долю водорода в продуктах сгорания до 20% за счет высокотемпературной термической конверсии метана. В продукты сгорания, вышедшие из камеры дожигания, подают разбавляющий сжатый воздух и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной. С помощью системы управления регулируют расход сжатого воздуха, подаваемого в форкамеру, расходы синтез-газа и природного газа, подаваемого в ее горелки, расходы сжатого воздуха, подаваемого в камеру дожигания и в продукты сгорания. Изобретение также касается устройства для реализации способа. Технический результат - увеличение содержания водорода в топливном газе, повышение экономичности и улучшение экологичности газотурбинных установок. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения водородсодержащего топливного газа, с электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсией метана, отличающийся тем, что его реализуют в три этапа; на первом этапе природный газ с давлением 2,5-3 МПа подогревают теплом уходящих газов газовой турбины до 400–450°С, конвертируют в коронном электрическом разряде высокого напряжения 20–40 кВ с получением синтез-газа; на втором этапе способа в первую ступень камеры сгорания - форкамеру газотурбинной установки подают меньшую часть воздуха, сжатого в компрессоре, в горелки форкамеры подают синтез-газ и природный газ, полученную «богатую» метано-водородно-воздушную топливную смесь поджигают и производят ее неполное сгорание при коэффициенте избытка воздуха 0,6–0,7, температуру продуктов сгорания, вышедших из форкамеры, повышают до 1350-1400°С, с термической конверсией метана и повышением доли водорода в продуктах сгорания до 5–7%; на третьем этапе способа во вторую ступень камеры сгорания - камеру дожигания, подают продукты сгорания из форкамеры и большую часть воздуха, сжатого в компрессоре, полученную метано-водородно-воздушную смесь сжигают в камере дожигания при коэффициенте избытка воздуха 1,3-1,5, повышают температуру продуктов сгорания смеси до 1950-2000°С и увеличивают долю водорода в продуктах сгорания до 20% за счет высокотемпературной термической конверсии метана; в продукты сгорания, вышедшие из камеры дожигания, подают разбавляющий сжатый воздух и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной; с помощью системы управления регулируют расход сжатого воздуха, подаваемого в форкамеру, расходы синтез-газа и природного газа, подаваемого в ее горелки, расходы сжатого воздуха, подаваемого в камеру дожигания и в продукты сгорания.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее газотурбинную установку с компрессором, двухступенчатую камеру сгорания, состоящую из первой ступени камеры сгорания - форкамеры с горелками и второй ступени камеры сгорания - камеры дожигания, газовую турбину, теплообменник, электрический плазмохимический реактор-активатор, электрический блок высокого напряжения 20–40 кВ, систему управления, связанную импульсными линиями с поворотными лопатками, поворотными пластинами и с запорно-регулирующими задвижками; поворотные лопатки установлены на входе в форкамеру, горелки которой соединены через запорно-регулирующую задвижку с первым трубопроводом природного газа, а также соединены через запорно-регулирующую задвижку, корпус электрического термохимического реактора-активатора и теплообменник со вторым трубопроводом природного газа; на заземленном корпусе электрического термохимического реактора-активатора установлен магнит, в центральной части корпуса электрического термохимического реактора-активатора установлен центральный электрод, связанный соединительным электродом с электрическим блоком высокого напряжения 20–40 кВ.