Способ совместного сжигания водорода и органических видов топлива и технический комплекс для совместного сжигания водорода и органических видов топлива (варианты) Российский патент 2024 года по МПК F23G5/12 F23G5/27 F23G7/06 C01B3/00 

Заявленная группа изобретений относится к области энергосбережения и может быть использована в жилищно-коммунальном хозяйстве, теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности, где используются паровые и водогрейные котлы, сжигающие органическое топливо, установки, в результате работы которых образуются дымовые газы, содержащие значительный объем водяных паров.

За последние сто лет главной тенденцией развития общества является непрерывный рост энергопотребления. Данный рост связан как с развитием промышленности стран, так и с удовлетворением потребностей растущего народонаселения. Возможность удовлетворить данные потребности за счет органического топлива ограничена, в силу негативного влияния на экологию. В связи с этим большое внимание в мире уделяется борьбе с глобальным потеплением, вызванным антропогенными выбросами парниковых газов. Так, на данный момент, среднегодовая температура нашей планеты растет, основной причиной чего, по мнению ученых, является человеческая деятельность. Если сохранить привычную жизнедеятельность, прогнозируют дальнейшее повышение температуры, что неизбежно приведет к масштабному уничтожению экосистем на Земле.

В целях борьбы с изменением климата и его негативными последствиями 197 стран приняли Парижское соглашение в 2015 году. Это соглашение, вступившее в силу менее чем через год, направлено на существенное сокращение глобальных выбросов парниковых газов и ограничение повышения глобальной температуры в этом столетии до 2 градусов Цельсия. В 2016 году Российская Федерация подписала Парижское соглашение, в соответствии с которым взяла на себя обязательства по снижению выбросов в атмосферу парниковых газов. На климатическом саммите в Нью-Йорке 66 стран обязались стать углеродно-нейтральными, то есть, принимать меры по полной компенсации выбросов СО₂.

К основным парниковым газам, которые образуются при сжигании ископаемых видов топлив, относятся углекислый газ (СО₂), метан (СН₄) водяной пар (H₂O) и закись азота (N₂O). При этом, европейские страны сделали акцент на снижении выбросов в атмосферу углекислого газа.

При производстве тепловой энергии на ТЭЦ и в котельных возможны следующие пути снижения выбросов атмосферу углекислого газа:

• повышение коэффициента полезного действия;

• повышение коэффициента использования теплоты топлива;

• переход с угля на сжигание природного газа;

• переход с мазута на сжигание природного газа;

• переход с дизельного топлива на сжигание природного газа

Переход с угля на газ позволяет снизить выбросы углекислого газа примерно на 50%. При сжигании одного килограмма метана (СН₄) - основного компонента природного газа - в атмосферу выбрасывается 2,75 кг углекислого газа (СО₂). При сжигании одного килограмма углерода - основного компонента угля - в атмосферу выбрасывается 3,7 кг углекислого газа. Принимая во внимание, что низшая теплота сгорания углерода примерно в 1,5 раза меньше, чем низшая теплота сгорания метана, выбросы углекислого газа в атмосферу при сжигании эквивалентной массы углерода составят 5,5 кг.

Поэтому перевод энергетических и теплофикационных котлов на природный газ приводит к существенному снижению выбросов в атмосферу углекислого газа. Необходимо обратить внимание, что при сжигании природного газа в атмосферу наряду с углекислым газом образуется водяной пар. Ряд зарубежных и Российских исследователей в своих работах сообщали о том, что, на данных момент, водяной пар является главным парниковым газом.

Переход к водородной энергетике обосновывается необходимостью снижения выбросов в атмосферу углекислого газа.

Известно, что увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли приводит к повышению средней температуры воздуха, то есть к «глобальному потеплению».

При развитии водородной энергетики будут снижаться выбросы в атмосферу углекислого газа и увеличиваться выбросы водяного пара, поскольку в процессе реакции водорода и кислорода выделяется тепловая энергия и водяной пар. Однако, водяной пар также является активным парниковым газом. В наше время парниковый эффект, в среднем до 78% обусловлен парами воды и только на 22% углекислым газом. В связи с этим, наряду с уменьшением выбросов в атмосферу углекислого газа, необходимо контролировать и выбросы водяного пара.

Природный газ состоит из смеси предельных углеводородов, таких как метан (СН₄), этан (С₂Н₆), пропан (С₃Н₈), бутан (С₄Н₁₀), пентан (C₅H₁₂), гексан (С₆Н₁₄) и другие углеводороды, а также незначительного количества инертных газов.

Характеристики природного газа, такие как плотность и теплота сгорания с большой точностью могут быть определены с помощью характеристик первых четырех гомологов. Общая формула реакции предельных углеводородов с кислородом имеет следующий вид:

где n - число молекул углерода и порядковый номер гомолога углеводорода. Рассмотрим уравнения реакции горения четырех первых гомологов углеводородов C₁, С₂, С₃ и С₄, которые в атмосферных условиях находятся в газообразном состоянии. При n=1

При сжигании одного килограмма метана (СН₄) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (CO₂) и 2,25 кг водяного пара (H₂O), то есть, выбросы водяного пара в атмосферу немного ниже, чем выбросы углекислого газа.

При n=2

При сжигании одного килограмма этана (С₂Н₆) выделяется 47,8 МДж тепловой энергии, а также 2,93 кг углекислого газа (CO₂) и 1,8 кг водяного пара (H₂O), то есть, массовая доля водяного пара в продуктах сгорания этана меньше, чем при сжигании метана.

При n=3

При n=4

Из данных выражений видно, что при увеличении номера гомолога углеводорода для его полного окисления требуется больший объем кислорода, при этом выделяется больший объем углекислого газа и водяного пара, чем при сжигании метана. Объем выделяющегося при сжигании углеводородов углекислого газа (CO₂) пропорционален порядковому номеру гомолога, а водяного пара - n+1. При сжигании метана выделяется в два раза больше водяного пара, чем углекислого газа, а при увеличении доли «тяжелых» углеводородов в сжигаемом газе эта пропорция уменьшается.

Сравним количество выбросов в атмосферу парниковых газов при сжигании водорода и метана, который является основным компонентом природного газа.

При соединении двух молекул водорода с одной молекулой кислорода возникают две молекулы воды. Реакция соединения водорода и кислорода сопровождается выделением энергии (Q).

При сжигании одного килограмма водорода (Н₂) выделяется 120 МДж тепловой энергии и 9 кг водяного пара (H₂O).

При соединении одной молекулы метана с двумя молекулами кислорода возникают две молекулы воды и одна молекула углекислого газа. Реакция соединения метана и кислорода сопровождается выделением тепловой энергии (Q).

При сжигании одного килограмма метана (СН₄) выделяется 50 МДж тепловой энергии, а также 2,75 кг углекислого газа (CO₂) и 2,25 кг водяного пара (H₂O), то есть, 5 кг парниковых газов.

Для получения 120 МДж тепловой энергии потребуется сжечь 2,4 кг метана. При этом в атмосферу попадет 6,6 кг углекислого газа и 5,4 кг водяного пара, то есть 12 кг парниковых газов. Из данного расчета видно, что при получении одинакового количества энергии суммарные выбросы парниковых газов при сжигании метана на 30% выше, чем при сжигании водорода. При этом выбросы водяного пара при сжигании природного газа на 40% ниже, чем при сжигании водорода.

Удельные выбросы в атмосферу тепловой энергии имеют простую связь с коэффициентом полезного действия энергетической установки: отношение тепловой мощности дымовых газов к электрической мощности обратно пропорционально электрическому коэффициенту полезного действия установки.

Удельная масса выбрасываемого в атмосферу углекислого газа при сжигании метана связана с КПД энергетической установки следующим соотношением:

Удельная масса выбрасываемого в атмосферу водяного пара при сжигании метана связана с КПД энергетической установки следующим соотношением:

Их этого соотношения видно, что чем выше КПД энергетической установки, тем ниже величины удельных выбросов парниковых газов в атмосферу.

Одним из способов уменьшения выбросов в атмосферу углекислого газа является переход на сжигание водородсодержащих газов (ВСГ), включая сжигание чистого водорода.

На фиг. 1 (график зависимости СО₂ от концентрации Н₂ в топливном газе) показано как увеличение доли водорода в природном газе приводит к снижению выбросов углекислого газа. Учитывая высокую реактивную способность водорода и высокую скорость распространения пламени при его сжигании, необходимо принять меры предосторожности для исключения возможности распространения пламени вверх по потоку, а также возможности его самовозгорания. Поэтому горелочные устройства, адаптированные для сжигания водорода, должны быть оборудованы не только системой обнаружения «обратного» пламени, но и защитой от распространения пламени вверх по потоку.

Одним из существенных недостатков увеличения доли водорода в сжигаемом топливном газе свыше 30% (об.) является увеличение выбросов в атмосферу оксидов азота (NO_x).

При сжигании органических топлив в паровых и водогрейных котлах самыми большими являются потери тепла с уходящими газами. Как правило, температура уходящих дымовых газов составляет (130÷200)°С, то есть, существенно превышает температуру точки росы водяных паров. Если снизить температуру уходящих газов до (30÷50)°С, то можно получить экономию топлива до (10÷14)% при сжигании природного газа. Дополнительная теплота получается при конденсации водяных паров за счет скрытой теплоты парообразования. При сжигании чистого водорода его экономия за счет тепла конденсации водяных паров превышает 18,5%. Утилизация теплоты уходящих дымовых газов широко распространена в странах Евросоюза. Большинство таких установок эксплуатируются на водогрейных и паровых котлах небольшой мощности (5÷50 МВт).

Конденсат, получаемый из водяных паров, имеет повышенную кислотность из-за растворения в воде углекислого газа. С помощью добавки в конденсат гидроксида соды осуществляется его химическая нейтрализация.

Конденсат, образующийся из водяных паров дымовых газов, может быть использован для следующих целей:

• увлажнение воздуха, подаваемого на горение;

• получения водорода методом электролиза;

• для очистки водорода от углерода в скруббере на выходе из пиролизной установки

Увлажнение воздуха, подаваемого на горение, обеспечивает следующие положительные эффекты:

• увеличивается температура точки росы дымовых газов, что позволяет повысить температуру конденсата;

• снижается температура горения в факеле, что приводит к уменьшению выбросов оксидов азота на (40÷60)%.

Побочным эффектом конденсации водяных паров для увеличения коэффициента использования теплоты топлива является удельное снижение выбросов в атмосферу как углекислого газа, так и водяного пара. То есть, уменьшению выбросов парниковых газов на единицу произведенной тепловой энергии. Полученный конденсат может быть использован для производства водородсодержащего газа, сжигание которого приведет к дополнительному снижению выбросов в атмосферу углекислого газа и увеличению образующегося при конденсации водяных паров конденсата. При увеличении доли водяного пара в дымовых газах будет изменяться температура точки росы, что может приводить к увеличению массы получаемого конденсата. А увеличение массы водяного конденсата позволяет увеличить долю водорода в топливном газе за счет увеличения массы водорода, получаемого из воды.

Из уровня техники известны различные способы и установки для получения метано-водородной смеси и водорода (см. например, RU 2542272 С2, опублик. 20.02.2015, RU 2571147 С1, опублик. 20.12.2015, RU 2480399 С1, опублик. 27.04.2013). Однако известные аналоги имеют значительное количество выбросов в атмосферу водяного пара и монооксида углерода.

Задачей заявленной группы изобретений является устранение недостатков известного уровня техники. Технический результат, достигаемый от реализации заявленной группы изобретений заключается в обеспечении уменьшения потребления органических видов топлива, сжигаемых в водогрейных и паровых котлах совместно с водородом, а также в снижении выбросов в атмосферу водяного пара (H₂O), углекислого газа (CO₂), оксидов азота (NO_x) и монооксида углерода (СО).

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет заявленной группы изобретений, которая включает способ совместного сжигания водорода и органических видов топлива и варианты технического комплекса для совместного сжигания водорода и органических видов топлива.

Заявленный способ совместного сжигания водорода и органических видов топлива заключается в том, что конденсационный теплоутилизатор (КТУ) обеспечивает конденсацию водяных паров дымовых газов за счет снижения температуры дымовых газов котла ниже температуры точки росы, для дальнейшего использования полученного конденсата из него удаляются растворенные газы, а также осуществляется его деионизация для снижения электропроводности, очищенный конденсат поступает в бак подготовки электролита, который с помощью насоса подается в электролизер, где вода (H₂O) разлагается на водород (Н2) и кислород (O2), кислород выпускается в атмосферу, а водород аккумулируется в ресивере.

В пиролизной установке водород получают путем термического разложения метана на водород (Н2) и углерод (С), углерод отделяется в скруббере, куда подается очищенный конденсат водяных паров, на выходе из ресивера давление и температура водорода снижаются до значения, необходимого для подвода водорода в комбинированное горелочное устройство или в комбинированные горелочные устройства котла, где смешивается с органическим топливом в пропорции, обеспечивающей минимальную концентрацию монооксида углерода в дымовых газах.

Заявленный технический комплекс для совместного сжигания водорода и органических видов топлива в первом варианте включает последовательно соединенные конденсационный теплоутилизатор (КТУ) дымовых газов котла, установку дегазации конденсата, бак подготовки электролита, насос для подачи конденсата в бак подготовки электролита, электролизная установка, систему охлаждения электролизера, ресивер водорода, регулятор давления водорода, теплообменник для снижения температуры водорода, водородопровод между ресивером водорода и горелочным устройством (горелочными устройствами) котла, увлажнитель воздуха. В электролизной установке вода (H₂O) разлагается на водород (Н2) и кислород (O2), кислород выпускается в атмосферу, а водород аккумулируется в ресивере. На выходе из ресивера давление водорода снижается до значения, необходимого для подвода водорода в комбинированное горелочное устройство или в комбинированные горелочные устройства котла, где смешивается с органическим топливом в пропорции, обеспечивающей минимальную концентрацию монооксида углерода в дымовых газах.

Во втором варианте метано-водородную смесь получают путем частичного термического разложения метана на водород (Н2) и углерод (С) в пиролизной установке.

Углерод отделяется от метано-водородной смеси в скруббере, в который впрыскивается конденсат, полученный в КТУ.

Метано-водородная смесь с объемным содержанием водорода 15-25% после охлаждения в теплообменнике с помощью конденсата, полученного в КТУ, поступает в ресивер. На выходе из ресивера давление метано-водородной смеси снижается до значения, необходимого для подвода смеси в горелочное устройство или в горелочные устройства котла. Заявленный технический комплекс для сжигания метано-водородной смеси, полученной методом пиролиза природного газа включает последовательно соединенные конденсационный теплоутилизатор (КТУ) дымовых газов котла, установку дегазации конденсата, насос подающий воду в скруббер, пиролизную установку, теплообменник для охлаждения метано-водородную смесь, ресивер, регулятор давления, газопровод между ресивером и горелочным устройством котла, резервуар для хранения водоуглеродной суспензии, конденсационный теплоутилизатор обеспечивает конденсацию водяных паров дымовых газов за счет снижения температуры дымовых газов котла ниже температуры точки росы, для дальнейшего использования полученного конденсата из него удаляются растворенные газы. Углерод отделяется от метановодородной смеси в скруббере, куда с помощью насоса подается очищенный конденсат водяных паров, на выходе из ресивера давление водорода снижается до значения, необходимого для подвода водорода в горелочное устройство или в горелочные устройства котла.

Основным отличительным признаком заявленной группы изобретений является использование конденсата, образующегося в КТУ.

В первом варианте заявленного технического комплекса конденсат после бака-нейтрализатора подается насосом в электролизную установку, где распадается на водород и кислород. Водород после ресивера водорода поступает в горелочное устройство котла, где сгорает совместно с органическим топливом в топке котла. Кислород выпускается в атмосферу. Излишки конденсата поступают в увлажнитель воздуха, который поступает в котел. Поскольку при сжигании водорода не образуется углекислый газ, то при совместном сжигании с топливами, содержащими углерод (уголь, мазут, дизельное топливо, древесные отходы, твердые коммунальные отходы, природный газ) выбросы углекислого газа в атмосферу уменьшаются.

Во втором варианте заявленного технического комплекс, в котором метановодродная смесь образуется методом пиролиза природного газа, конденсат, полученный в КТУ, применяется для отделения углерода от метановодородной смеси в скруббере, для охлаждения метановодородной смеси после скруббера, а также для увлажнения воздуха.

Экспериментальные исследования показали, что сжигание метановодородной смеси (МВС) с объемной концентрацией водорода 22% в конденсационном котле привело к снижению выбросов в атмосферу монооксида углерода (СО) на 40% по сравнению с вариантом сжигания 100% метана.

Изобретение относится к области энергосбережения. Изобретение касается способа совместного сжигания водорода и органических видов топлива заключающийся в том, что конденсационный теплоутилизатор обеспечивает конденсацию водяных паров дымовых газов за счет снижения температуры дымовых газов котла ниже температуры точки росы, для дальнейшего использования полученного конденсата водяных паров из него удаляются растворенные газы, а также осуществляется его деионизация для снижения электропроводности, очищенный конденсат водяных паров поступает или в бак подготовки электролита и с помощью насоса подается в электролизную установку. В электролизной установке вода (H2O) разлагается на водород (Н2) и кислород (O2), кислород выпускается в атмосферу, а водород аккумулируется в ресивере, или в скруббер для отделения углерода из смеси водорода (Н2) и углерода (С), полученных в пиролизной установке путем частичного термического разложения метана, метано-водородная смесь с объемным содержанием водорода 15-25% поступает в ресивер, на выходе из ресивера давление и температура водорода или метано-водородной смеси снижаются до значения, необходимого для подвода водорода в комбинированное горелочное устройство или в комбинированные горелочные устройства котла, где смешивается с органическим топливом в пропорции, обеспечивающей минимальную концентрацию монооксида углерода в дымовых газах. Также изобретение касается вариантов технического комплекса для совместного сжигания водорода и органических видов топлива. Технический результат - обеспечение уменьшения потребления органических видов топлива, сжигаемых в водогрейных и паровых котлах совместно с водородом, а также в снижении выбросов в атмосферу водяного пара (H2O), углекислого газа (CO2), оксидов азота (NOx) и монооксида углерода (СО). 3 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ совместного сжигания водорода и органических видов топлива заключающийся в том, что конденсационный теплоутилизатор обеспечивает конденсацию водяных паров дымовых газов за счет снижения температуры дымовых газов котла ниже температуры точки росы, для дальнейшего использования полученного конденсата водяных паров из него удаляются растворенные газы, а также осуществляется его деионизация для снижения электропроводности, очищенный конденсат водяных паров поступает или в бак подготовки электролита и с помощью насоса подается в электролизную установку, в электролизной установке вода (H2O) разлагается на водород (Н2) и кислород (O2), кислород выпускается в атмосферу, а водород аккумулируется в ресивере, или в скруббер для отделения углерода из смеси водорода (Н2) и углерода (С), полученных в пиролизной установке путем частичного термического разложения метана, метано-водородная смесь с объемным содержанием водорода 15-25% поступает в ресивер, на выходе из ресивера давление и температура водорода или метано-водородной смеси снижаются до значения, необходимого для подвода водорода в комбинированное горелочное устройство или в комбинированные горелочные устройства котла, где смешивается с органическим топливом в пропорции, обеспечивающей минимальную концентрацию монооксида углерода в дымовых газах.

2. Технический комплекс для совместного сжигания водорода и органических видов топлива, включающий последовательно соединенные конденсационный теплоутилизатор (КТУ) дымовых газов котла, установку дегазации конденсата водяных паров, бак подготовки электролита, насос для подачи конденсата водяных паров в бак подготовки электролита, электролизную установку, систему охлаждения электролизной установки, ресивер водорода, регулятор давления водорода, теплообменник для снижения температуры водорода, водородопровод между ресивером водорода и горелочным устройством котла, увлажнитель воздуха, при этом конденсационный теплоутилизатор выполнен с возможностью обеспечивать конденсацию водяных паров дымовых газов за счет снижения температуры дымовых газов котла ниже температуры точки росы.

3. Технический комплекс для совместного сжигания водорода и органических видов топлива включает последовательно соединенные конденсационный теплоутилизатор (КТУ) дымовых газов котла, установку дегазации конденсата водяных паров, насос, подающий очищенный конденсат водяных паров дымовых газов в скруббер, пиролизную установку частичного разложения метана, теплообменник для охлаждения метано-водородной смеси, ресивер, регулятор давления, газопровод между ресивером и горелочным устройством котла, резервуар для хранения водоуглеродной суспензии.