Технологический экспериментально-демонстрационный комплекс для развития технологий производства водорода из природного газа Российский патент 2024 года по МПК C01B3/24 C01B3/50 C09C1/54 B01D47/10 B01D53/00 C02F1/00 C01B32/05 B01J19/00 B01D50/00 

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано для отработки и развития технологий и технологических установок производства водорода из природного газа с ограниченными выбросами углекислого газа.

Водород имеет важную роль в развитии низкоуглеродной энергетики и достижении целей углеродной нейтральности. Согласно существующим и разрабатываемым энергетическим стратегиям к 2050 году его доля в мировом энергобалансе составит 18%. Для покрытия возникающего спроса в водороде необходима отработка существующих и перспективных технологий производства водорода из природного газа и доведения их до уровня промышленного внедрения. Перспективной технологий производства водорода является пиролиз метана - процесс термического разложения метана на водород и углерод при воздействии высокой температуры при ограниченном доступе кислорода.

Известна установка для производства технического (термического) углерода из газообразного углеводородного сырья, содержащая реактор, устройство для испарительного охлаждения, фильтр, бункер, двухступенчатый эжекторный скруббер, теплообменник, воздухонагреватель, эжекторный скруббер, газодувку, вентиляторы. Сажегазовая смесь и дымовые газы выводятся из реактора раздельно. Пиролизный газ и теплодымовые газы утилизируются. Повышается энергоэффективность установки, снижаются затраты углеводородного сырья, топлива и электроэнергии при производстве технического углерода. (RU 2652237 С1, «Установка для производства технического (термического) углерода из газообразного углеводородного сырья», патентнообладатель - Долотовский Игорь Владимирович (RU), опубл. 25.04.2018)

Недостатком данной установки является отсутствие получения водородного топлива товарного качества с высокой добавочной стоимостью из-за сжигания первой части пиролизного газа на горелках реактора, второй части в качестве газа обратной продувки.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является разработка технологического экспериментально-демонстрационного комплекса для дальнейшего развития технологий производства водорода из природного газа.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное техническое решение, является повышение эффективности испытания и отработки экспериментальных и опытных установок производства водорода и/или ВСГ с последующим подтверждением заявленных параметров.

Для решения поставленной выше задачи разработан технологический экспериментально-демонстрационный комплекс (далее - комплекс) для развития технологий производства водорода из природного газа, а именно технологический комплекс по отработке, развитию, испытанию и подтверждению на заявленные параметры технологий и технологических установок производства водорода и/или водородсодержащего газа (ВСГ) из природного газа с ограниченными выбросами углекислого газа.

Указанный выше технический результат достигается за счет разработки технологического экспериментально-демонстрационного комплекса для развития технологий производства водорода из природного газа, в состав которого входят блок подготовки исходного сырья, блок пиролиза природного газа, блок подготовки воды, блок очистки и осушки водородсодержащего газа, блок улавливания твердого углеродного материала, блок выделения водорода, блок компримирования водорода, блок готовых продуктов и блок отбора проб водорода или водородсодержащего газа, при этом блок подготовки исходного сырья состоит из модульных кассетных блоков, нагревателя природного газа, реактора сероочистки, а также регуляторов и измерителей массового расхода сырьевых газов с сопутствующим периферийным оборудованием и датчиками измерения давления и температуры, блок пиролиза природного газа состоит из экспериментальных установок по производству водорода из природного газа, блок подготовки воды состоит из емкости с дистиллированной водой, емкости хладагента, двух холодильников, двух циркуляционных насосов, дозировочного насоса и дистиллятора/деминерализатора воды, блок очистки и осушки водородсодержащего газа состоит из сепаратора циклонного мокрого типа скруббер Вентури, сепаратора воды и водородсодержащего газа, водного сепаратора, емкости для сбора, осушки и хранения твердого углеродного материала, блок компримирования водорода состоит из водородного компрессора и его периферийного оборудования, такого как ресивер, антипомпажные линии, блок готовых продуктов состоит из емкости для сбора твердого углеродного материала и емкости баллонного типа для газообразного водорода, кроме того технологический комплекс также включает в себя технологические свечные линии, оснащенные эжекторами и воздуходувками для дожига неиспользуемых продуктов и отходящих газов, образующихся в процессе функционирования установок.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема технологического экспериментально-демонстрационного комплекса для развития технологий производства водорода из природного газа.

В состав указанного комплекса входят следующие основные технологические блоки блочно-модульного исполнения:

- блок подготовки исходного сырья (БПИС) (1),

- блок пиролиза природного газа (БППГ) (2),

- блок подготовки воды (БПВ) (3),

- блок очистки и осушки водородсодержащего газа (ВСГ) (БОВСГ) (4),

- блок улавливания твердого углеродного материала (БУТМ) (5),

- блок выделения водорода (БВВ) (6),

- блок компримирования водорода (БКВ) (7),

- блок готовых продуктов (утилизация дымовых (остаточных) газов и ВСГ, хранения готовой продукции) (БГП) (8),

- блок отбора проб водорода или ВСГ для обеспечения возможности проведения качественного и количественного анализа состава газовых смесей (БОП) (9).

Основные технологические потоки комплекса:

- питающий поток (природный газ) (38),

- поток продувки (технический азот) (39),

- очищенный сырьевой поток (40),

- реакционная смесь (ВСГ, твердый углеродный материал) (41),

- технологическая вода (42),

- хладагент (43),

- твердый углеродный материал (44),

- технологическая смесь (45),

- очищенный реакционный поток (ВСГ) (46),

- очищенный продукт (водород) (47),

- воздух (48).

БПИС (1) состоит из модульных кассетных блоков (10), которые представляют собой кассету из 8 баллонов (11) с углеводородным газом, представляющий из себя природный газ (38), содержащий преимущественно метан (СН₄), и 2 баллонов (12 с техническим азотом (N₂) (39) (для продувки газопроводной системы установки и собственных технологических нужд), нагревателя (13) природного газа, реактора (14) сероочистки, а также регуляторов и измерителей массового расхода сырьевых газов с сопутствующим периферийным оборудованием и датчиками измерения давления и температуры.

БППГ (2) состоит из экспериментальных установок по производству водорода из природного газа и обеспечивает реализацию технологических процессов получения водорода методом пиролиза (термический пиролиз, каталитический пиролиз, плазменный пиролиз и пиролиз в расплавах металлов) с образованием ВСГ и твердого углеродного материала в зависимости от используемой реакторной части (два реактора - 15, 16).

БПВ (3) состоит из емкости (17) с дистиллированной водой, емкости (18) хладагента, двух холодильников (19, 20), двух циркуляционных насосов (21, 22), дозировочного насоса (23) и дистиллятора/деминерализатора (24) воды.

БОВСГ (4) состоит из циклонного сепаратора (25) мокрого типа (скруббер Вентури для разделения ВСГ и твердого углеродного материала или аналогичного мокрого циклонного оборудования), сепаратора (26) ВСГ и воды, сепаратора (27) твердого углеродного материала и воды, каплеотбойника (28), емкости (29) для хранения пульпы, состоящая из остаточного твердого углеродного материала и воды.

БУТМ (5) состоит из сепаратора (30) сухого циклонного типа для разделения ВСГ и твердого углеродного материала.

БВВ (6) представляет из себя комплексную установку (сепаратор) (31) выделения водорода из ВСГ.

БКВ (7) состоит из комплексной установки компримирования водорода, а именно из водородного компрессора (32) и его периферийного оборудования (ресивер, антипомпажные линии и т.д.).

БГП (8) включает в себя емкость (33) для сбора, осушки и хранения твердого углеродного материала и емкость (34) баллонного типа для газообразного водорода. В технологическом экспериментально-демонстрационном комплексе предусмотрены технологические свечные линии, оснащенные эжекторами и воздуходувками для дожига (35) неиспользуемых продуктов и отходящих газов, образующихся в процессе функционирования установок.

БОП (9) состоит из системы патрубков, запорной арматурой и емкостями сбора, присоединяющимися к точкам отбора проб (36, 37).

Технологический экспериментально-демонстрационный комплекс для развития технологий производства водорода из природного газа работает следующим образом.

Из модуля (10) природный газ (38) поступает на станцию очистки от серосодержащих примесей в реакторе (14) сероочистки. Процесс сероочистки проводится при температуре от 150 до 400°С за счет предварительного нагревателя (13) природного газа и давлениях 0,1 - 0,5 МПа. После реактора (14 природный газ (38) проходит точку отбора проб (36) для количественного и качественного контроля компонентного состава. В экспериментальных установках по производству водорода из природного газа (в блоке БППГ (2)), то есть в реакторах (15, 16) методом пиролиза может быть получен твердый углеродный материал (дисперсный углерод) и газ следующего компонентного состава (об.%): СН₄ - до 40, Н₂ - до 60, СО₂ - до 1, СО - до 0,5, N₂ - 2, углеводороды С₁-С₅ - до 5.

БПВ (3) обеспечивает бесперебойную работу холодильника (19) при охлаждении ВСГ (так называемой реакционной смеси) (41) за счет поддержания постоянной температуры хладагента (43). После охлаждения потока ВСГ (41), охлаждающая жидкость поступает в холодильник (20), где он охлаждается до заданной температуры и циркулирует через емкость (18). Дополнительной функцией БПВ (3) является подача технологической воды (42) из дистиллятора/деминерализатора (24) воды через емкость (17) в форсунку скруббера Вентури или аналогичного мокрого циклонного оборудования (сепаратора (25)).

В Комплексе предусмотрена возможность очистки ВСГ от твердого углеродного материала через БОВСГ (4) или БУТМ (5):

- БОВСГ (4) обеспечивает очистку ВСГ после БППГ (2). Охлажденный поток реакционной смеси (ВСГ) (41) совместно с твердым углеродным материалом (дисперсный углерод) поступает в сепаратор (25) циклонного мокрого типа скруббер Вентури, где происходит первичная очистка от твердых углеродных компонентов за счет осаждения высокодисперсных частиц каплями воды под давлением. Затем очищенный от углеродных компонентов влажный газ поступает в сепаратор (26) воды и ВСГ, где происходит его осушка. Осушенный от воды поток (46) (очищенный реакционный поток (ВСГ)) проходит через каплеотбойник (28), где отделяется остаточная капельная влага. Технологическая смесь (45), состоящая из воды и твердого углеродного материала, проходит этап разделения в водном сепараторе (27). Твердый углеродный материал (44) направляется в емкость (33) для сбора, осушки и хранения твердого углеродного материала. Очищенный (сухой) ВСГ (46) через БОП (9) для контроля его количественного и качественного состава поступает в БВВ (6) или в свечную технологическую линию БГП (8);

- БУТМ (5) требуется для улавливания твердого углеродного материала, который содержится в подаваемой реакционной смеси (41), состоящего из ВСГ и твердого углеродного материала (дисперсный углерод), в сухом сепараторе (30) циклонного типа. Отделенный от газового потока твердый углеродный материал (44) поступает в емкость (33). Затем очищенный (сухой) ВСГ (46) через БОП (9) последовательно поступает в БВВ (6) и БКВ (7) или БГП (8).

- БВВ (6) необходимо для выделения водорода из ВСГ, что может осуществляться, например, методом мембранного разделения или короткоцикловой адсорбции в сепараторе (31). Каким образом будут выделять водород из ВСГ - определяется исходя из состава подаваемого очищенного реакционного потока (46) и его параметров. Выделенный водород (47) поступает в БКВ (7), где компримируется. Компримированный водород затем закачивается в емкость (34).

На заявленном комплексе планируется отработка и исследование:

- бесперебойности работы испытуемых установок производства водорода из природного газа;

- степени конверсии при работе в различных режимах, проверка заявленных технологических параметров работы испытуемых установок производства водорода из природного газа;

- воспроизводимости и верификации заявляемых результатов работы испытуемых установок производства водорода из природного газа;

- определение параметров работы испытуемых установок с целью повышения технологических показателей производства водорода из природного газа;

- методологии проведения экспериментов;

- работы средств измерения в условиях эксперимента;

- методов обработки и анализа результатов эксперимента;

- требований к безопасности при проведении экспериментальных работ и эксплуатации подобных установок;

- аналитическая обработка полученных данных и разработка предложений по модернизации экспериментальных технологий получения водорода из природного газа.

Заявленный Комплекс обеспечивает экспериментально-демонстрационную отработку и развитие технологий и технологических установок производства водорода из природного газа с ограниченными выбросами углекислого газа.

Изобретение относится к газовой промышленности и может быть использовано для отработки и развития технологий и технологических установок производства водорода из природного газа с ограниченными выбросами углекислого газа. Технологический экспериментально-демонстрационный комплекс для развития технологий производства водорода из природного газа включает блок подготовки исходного сырья, блок пиролиза природного газа, блок подготовки воды, блок очистки и осушки водородсодержащего газа, блок улавливания твердого углеродного материала, блок выделения водорода, блок компримирования водорода, блок готовых продуктов и блок отбора проб водорода или водородсодержащего газа. Блок подготовки исходного сырья состоит из модульных кассетных блоков, нагревателя природного газа, реактора сероочистки, а также регуляторов и измерителей массового расхода сырьевых газов с сопутствующим периферийным оборудованием и датчиками измерения давления и температуры. Блок пиролиза природного газа состоит из экспериментальных установок по производству водорода из природного газа. Блок подготовки воды состоит из емкости с дистиллированной водой, емкости хладагента, двух холодильников, двух циркуляционных насосов, дозировочного насоса и дистиллятора или деминерализатора воды. Блок очистки и осушки водородсодержащего газа состоит из сепаратора циклонного мокрого типа скруббер Вентури, сепаратора воды и водородсодержащего газа, водного сепаратора, емкости для сбора, осушки и хранения твердого углеродного материала. Блок компримирования водорода состоит из водородного компрессора и его периферийного оборудования, такого как ресивер, антипомпажные линии, блок готовых продуктов состоит из емкости для сбора твердого углеродного материала и емкости баллонного типа для газообразного водорода. Технологический комплекс также включает в себя технологические свечные линии, оснащенные эжекторами и воздуходувками для дожига неиспользуемых продуктов и отходящих газов, образующихся в процессе функционирования установок. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности испытания и отработки экспериментальных и опытных установок производства водорода и/или ВСГ с последующим подтверждением заявленных параметров. 1 ил.

Технологический экспериментально-демонстрационный комплекс для развития технологий производства водорода из природного газа, в состав которого входят блок подготовки исходного сырья, блок пиролиза природного газа, блок подготовки воды, блок очистки и осушки водородсодержащего газа, блок улавливания твердого углеродного материала, блок выделения водорода, блок компримирования водорода, блок готовых продуктов и блок отбора проб водорода или водородсодержащего газа, при этом блок подготовки исходного сырья состоит из модульных кассетных блоков, нагревателя природного газа, реактора сероочистки, а также регуляторов и измерителей массового расхода сырьевых газов с сопутствующим периферийным оборудованием и датчиками измерения давления и температуры, блок пиролиза природного газа состоит из экспериментальных установок по производству водорода из природного газа, блок подготовки воды состоит из емкости с дистиллированной водой, емкости хладагента, двух холодильников, двух циркуляционных насосов, дозировочного насоса и дистиллятора/деминерализатора воды, блок очистки и осушки водородсодержащего газа состоит из сепаратора циклонного мокрого типа скруббер Вентури, сепаратора воды и водородсодержащего газа, водного сепаратора, емкости для сбора, осушки и хранения твердого углеродного материала, блок компримирования водорода состоит из водородного компрессора и его периферийного оборудования, такого как ресивер, антипомпажные линии, блок готовых продуктов состоит из емкости для сбора твердого углеродного материала и емкости баллонного типа для газообразного водорода, кроме того, технологический комплекс также включает в себя технологические свечные линии, оснащенные эжекторами и воздуходувками для дожига неиспользуемых продуктов и отходящих газов, образующихся в процессе функционирования установок.