Способ газификации углеводородов для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов


 


Владельцы патента RU 2415262:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)

Изобретение относится к экологически безопасным технологиям добычи углеводородов и раздельного использования продуктов их подземной газификации, в частности водорода для получения электроэнергии, а углерода для углеродных наноматериалов. Техническим результатом являются повышение эффективности и экологической безопасности процесса подземной газификации углеводородов, а также повышение эффективности преобразования химической энергии высококалорийных исходящих газов в электрическую энергию и получение углеродных наноматериалов. Способ газификации углеводородов включает формирование в пласте залегания углеводородов подземного газогенератора и подачу воды и электроэнергии в газогенератор. При этом осуществляют электролиз воды при давлении в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа и температуре в диапазоне 600 до 1750 К и отвод из газогенератора продуктов газификации. При этом продукты газификации пропускают через газоструйную мельницу, электрофильтр и используют для выработки электроэнергии с помощью топливных элементов и энергетической установки с газопаровым циклом, а твердые углеродсодержащие компоненты используют для получения углеродных наноматериалов. 1 ил.

 

Изобретение относится к экологически безопасным технологиям добычи углеводородов и раздельного высокоэффективного использования продуктов газификации углеводородов, в частности водорода для получения электроэнергии, а углерода для получения углеродных наноматериалов.

Обычно сжигание углеводородов для получения электроэнергии связано с выбросом в окружающую среду парниковых газов и миллионов тонн сажи, например при сжигании угля на электростанциях и в быту. Подземная газификация углеводородов (ПГУ), в первую очередь угля, позволяет оставлять породу там, где она находилась, и при меньших трудозатратах повысить долю извлекаемых из месторождений углеводородов.

Известные технологии ПГУ с дутьем воздуха в зону горения имеют два существенных недостатка: низкую теплотворную способность исходящих газов и высокое содержание в них вредных соединений азота (NOX). Известно также, что высокую эффективность преобразования химической энергии в электрическую можно добиться лишь при использовании горючего газа с высокой теплотворной способностью.

Известна система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ (патент RU №2270845, МПК C10J 3/00, Н01М 8/06, 1998), включающая газификацию горючих веществ, получение и нормализацию продуктов газификации и использование их для получения электроэнергии в системах, содержащих топливные элементы.

Недостатком известного предложения является высокая загрязненность продуктов газификации присадками, отравляющими топливные элементы.

Известен способ получения нанодисперсного углерода (см. патент RU №2344074, МПК С01В 31/00, В82В 3/00, 2007), включающий приготовление смеси с отрицательным кислородным балансом, состоящей из углесодержащих веществ и окислителя, впуске смеси в детонационную камеру, ее детонации в среде, инертной по отношению к углероду, и последующим охлаждением продуктов детонации со скоростью 2·105-106 К/с.

Недостатком известного способа являются высокие затраты на подготовку детонирующей смеси при высоком давлении и температуре.

Наиболее близким из известных технических решений является способ газификации угля для получения водорода и синтез-газа (см. патент RU №2354820, МПК Е21В 43/295, С01В 3/00, 2007), включающий вскрытие буровыми скважинами залежей углеводородов, формирование и розжиг подземного газогенератора, подачу в зону горения суспензии порошкообразного алюминия в водной среде под давлением, контроль за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулирование и отвод из газогенератора исходящих газов.

Недостатком известного способа являются дополнительные расходы на подготовку суспензии из порошкообразного алюминия.

Задачей данного изобретения являются снижение накладных расходов и повышение эффективности подземной газификации углеводородов.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается:

- в повышении температуры и теплотворной способности исходящих газов;

- в радикальном снижении выбросов парниковых газов при использовании водорода для получения электроэнергии;

- в повышении эффективности преобразования химической энергии высококалорийных исходящих газов в электрическую энергию с помощью газопаровых энергетических установок и топливных элементов;

- в получении углеродных наноматериалов из углеродсодержащих компонентов продуктов газификации углеводородов.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе газификации угля для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов, основанном на вскрытии буровыми скважинами залежей углеводородов, формировании и розжиге подземного газогенератора, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании и отводе из газогенератора исходящих газов, в газогенератор подают воду и электроэнергию, осуществляют электролиз воды при давлении в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа, поддерживают температуру в диапазоне от 600 до 1750 К, исходящие из газогенератора продукты газификации углеводородов пропускают через газоструйную мельницу и электрофильтр и направляют в газопаровую энергетическую установку и/или топливный элемент для получения электроэнергии. При этом твердые компоненты продуктов газификации углеводородов из пылесборника электрофильтра направляют в сепаратор для разделения по фракциям, дальнейшей переработки и получения углеродных наноматериалов.

Принципиальная схема подземного газогенератора для реализации предлагаемого способа газификации углеводородов для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов показана на чертеже.

Подземный газогенератор формируют при вскрытии скважинами 1, 2, 3 пласта углеводородов 4. В зону горения 5 вводят электролизер 6 с кабелем электропитания, датчиками и устройствами контроля за технологическими и гидрологическими параметрами. После розжига подземного газогенератора в зону горения 5 подают воду и продукты гидролиза воды O2 и H2. Через блок управления 7 поддерживают давление в зоне горения в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа и температуру в диапазоне от 600 до 1750 К. Исходящие из подземного газогенератора продукты газификации по продуктопроводу 8 пропускают в газоструйную мельницу 9, электрофильтр 10 и направляют в газопаровую энергетическую установку 11 с газовой и паровой турбинами для выработки электроэнергии. Частично или полностью химическая энергия исходящих газов после электрофильтра 10 может быть также преобразована топливными элементами 12 в электрическую энергию с КПД, близким к 80%. Твердые компоненты продуктов газификации углеводородов из пылесборника 13 электрофильтра 10 направляют в сепаратор 14 для разделения по фракциям и получения углеродных наноматериалов.

Таким образом, за счет электрической энергии, вводимой в зону горения и окисления углерода продуктами электролиза воды и самой воды при высоком давлении и температуре, обеспечивают высокоэффективную газификацию углерода. Продукты газификации содержат водород (~60%), окись углерода (~20%), метана (~10%), твердый углерод (~5%) и менее 5% других примесей. Полностью отсутствуют в исходящих газах экологически вредные окислы азота (NOX) и незначительно присутствует двуокись углерода. Высокую температуру и теплотворную способность исходящих горючих газов обеспечивают электрохимическая кинетика и подводимая электроэнергия.

H2O→O22

2С+O2→СО

С+H2O→СО+Н2

С+2Н2→СН4

Продукты газификации пропускают через газоструйную мельницу 9, где в сталкивающихся сверхзвуковых струях дробят твердые фракции двухфазного потока до размеров частиц порядка 1 мкм. Из газоструйной мельницы 9 поток вводят в элекрофильтр 10, отделяют твердые частицы и направляют его в энергетическую установку 11 и топливные элементы 12 для получения электроэнергии. Высокое содержание водорода в продуктах газификации позволяет повысить эффективность преобразования химической энергии топливных элементов до 80% и практически исключить выброс в атмосферу парникового газа CO2. Твердые компоненты продуктов газификации из пылесборника 13 электрофильтра 10 направляют на переработку и получение углеродных наноматериалов для перспективных композитов с высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, ресурсом и другими важными потребительскими свойствами.

Заявленное изобретение положено в основу проекта на открытый конкурс Роснауки на право заключения с Федеральным агентством по науке и инновациям государственного контракта на проведение НИР в области экологически безопасных разработок месторождений и добычи природных ископаемых (лот 10, шифр 2010-1,1-224-041).

Способ газификации углеводородов для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов, заключающийся во вскрытии буровыми скважинами залежей углеводородов, формировании и розжиге подземного газогенератора, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании и отводе из газогенератора исходящих газов, отличающийся тем, что в газогенератор подают воду и электроэнергию, осуществляют электролиз воды при давлении в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа, поддерживают температуру в диапазоне от 600 до 1750К, исходящие из газогенератора продукты газификации углеводородов пропускают через газоструйную мельницу, электрофильр и газопаровую энергетическую установку и/или топливные элементы, а твердые компоненты продуктов газификации углеводородов из пылесборника электрофильтра направляют в сепаратор.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к угледобывающей промышленности и может быть использовано при геотехнологических разработках маломощных угольных пластов посредством их подземной газификации с получением и выведением на поверхность энергетического газа.

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к подземной газификации мощных угольных пластов. .

Изобретение относится к угледобывающей промышленности и может быть использовано при подземной газификации для получения молекулярного водорода. .

Изобретение относится к горному делу, в частности к комплексному освоению угольных месторождений при подземной газификации угля, и может быть использовано для получения продуктов подземной газификации угля, теплоносителя с заданными параметрами и для попутной добычи мышьяка.

Изобретение относится к горному делу, а именно к подземной газификации угольных месторождений на месте залегания. .

Изобретение относится к области термической переработки горючих сланцев. .

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам подземной газификации. .

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способу подземной газификации. .

Изобретение относится к горному делу, а именно к способу подземной газификации. .

Изобретение относится к горному делу, а именно к способам подземной газификации. .

Изобретение относится к экологически безопасным технологиям разработки месторождений и добычи углеводородов, в частности трудноизвлекаемых и нерентабельных залежей угля, сланцев, нефти и газового конденсата

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано для подземной газификации целиков угля, оставшихся после применения технологии глубокой разработки угольных пластов

Изобретение относится к горному делу и к переработке бытовых и (или) промышленных отходов, в частности к разработке крутых и крутонаклонных угольных пластов по технологии подземной газификации, и утилизации изношенных автомобильных шин

Изобретение относится к горному делу и может быть применено при разработке месторождений каменных и бурых углей путем подземной газификации и направлено на улучшение экологических показателей процесса подготовки энергетического газа

Изобретение относится к области горного дела и может быть применено в технологии подземной газификации угля (ПГУ)

Изобретение относится к области горного дела, а конкретнее к области подземной газификации угля - ПГУ и производству на ее основе водорода

Изобретение относится к горному делу, в частности, к способам подземной газификации твердых ископаемых топлив и может быть использовано для получения газообразного энергоносителя (горючего газа) из угля или сланца на месте залегания

Изобретение относится к способам подземной газификации угольных пластов путем превращения угольной массы на месте ее залегания в горючий газ, который может использоваться в различных энергетических установках

Способ относится к области горной промышленности, в частности к угольной, и может быть использован при отработке склонных к самовозгоранию угольных пластов. Техническим результатом является повышение безопасности ведения горных работ при отработке склонных к самовозгоранию угольных пластов. В способе при отработке склонного к самовозгоранию угольного пласта, включающем подготовку выемочного участка парными выработками, проветривание выработок очистного участка за счет общешахтной депрессии и отвод шахтного метана из источника выделения, отвод метана осуществляют сначала через пробуренные на сближенные пласты дегазационные скважины с возможностью исключения подсосов воздуха из призабойного пространства действующего очистного забоя. Затем после сдвижения пород основной кровли отрабатываемого пласта отвод метана осуществляют через оставшуюся часть длины скважины при режимах, исключающих подсосы воздуха из призабойного пространства лавы. При этом интенсивно выделяющийся из разгружаемых от горного давления зон отрабатываемого пласта вблизи забоя лавы метан отводят в дегазационную вакуумную сеть выемочного участка через пробуренные ориентированно на очистной забой пластовые скважины с концентрацией метана, пригодного для утилизации. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области горного дела и может быть применено при подземной газификации угля. Способ заключается в том, что выделенный в поверхностном химическом комплексе СО2 делят на два потока: первый из них нагнетают в дутьевые скважины эксплуатируемого подземного газогенератора и инициируют в зонах газификации эндотермическую химическую реакцию СО2+С=2СО-q, обогащая при этом газ ПГУ горючим компонентом СО; второй поток СО2 нагнетают в отработанный подземный газогенератор. При этом количество нагнетаемого в эксплуатируемый подземный газогенератор СО2 определяют в зависимости от температурного уровня в окислительной зоне газификации и состава газа, отводимого из соседней скважины. Золошлаковую массу отработанного газогенератора пропитывают водным раствором гашеной извести [Са(ОН)2], для чего нагнетают его в скважины отработанного газогенератора до стабилизации концентрации этого раствора путем периодического отбора его проб и их химического анализа. После стабилизации концентрации гашеной извести в анализируемых пробах начинают нагнетать в скважины отработанного газогенератора второй поток СО2 с целью его химической сорбции. Нагнетание СО2 в отработанный газогенератор прекращают после возрастания его концентрации в периодически отбираемых из скважин пробах до 90%. Технический результат заключается в полной утилизации образующегося при ПГУ СО2. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
Наверх