Способ модифицирования метансодержащего газового потока


 


Владельцы патента RU 2585647:

ЭВОНИК ДЕГУССА ГМБХ (DE)

В заявке описан способ модифицирования метансодержащего газового потока, заключающийся в том, что I) от метансодержащего газового потока отбирают частичный поток, II) частичный поток обрабатывают электрически генерируемой плазмой с образованием газа модифицированного состава с меньшим относительным содержанием в нем метана, чем в метансодержащем газовом потоке, и III) газ модифицированного состава возвращают в метансодержащий газовый поток. Подобный способ позволяет аккумулировать избыточную электроэнергию в газовой сети. 18 з.п. ф-лы.

 

Настоящее изобретение относится к способу модифицирования метансодержащего (объемного) газового потока.

Использование возобновляемых энергоресурсов (ВЭ) с подверженным колебаниям и лишь неэффективно управляемым характером производства энергии предъявляет постоянно возрастающие требования к энергетическим инфраструктурам. Наряду с развитием энергосистем и поиска подходов к управлению распределением нагрузки требуется обеспечение приемлемыми аккумулирующими мощностями. При этом рассматриваются высокодинамичные накопители для стабилизации электросетей, а также различные технологии по размещению значительных излишков, образующихся при использовании ВЭ. В последнем случае в настоящее время наряду с нашедшими широкое распространение на практике гидроаккумулирующими электростанциями принимаются во внимание и находятся на стадии научно-исследовательских и опытно-конструкторских разработок прежде всего пневмоаккумулирующие электростанции и технологии химического аккумулирования энергии в виде водорода. В случае водорода наряду с потребностью существенного сокращения капитальных затрат на компоненты и повышения эффективности на стадиях химического превращения существует необходимость в создании приемлемой инфраструктуры для хранения, распределения и использования водорода.

Ранее были предложены многочисленные подходы по созданию инфраструктуры водородной энергетики ("водородной инфраструктуры"). При этом следует особо выделить подходы, при которых водород хранится, транспортируется и используется отдельно. Отрицательным фактором в данном случае являются значительные затраты на создание и внедрение отдельной инфраструктуры. О наличии существенных препятствий при создании и внедрении такой инфраструктуры в том случае, когда подобные концепции основаны на обеспечении повсеместной доступности этого энергоносителя, свидетельствует в первую очередь пример с работающими на водороде транспортными средствами. Часто предпочитаемое использование централизованных естественных хранилищ, образованных полостями в горных породах, для хранения водорода также является из-за высоких начальных капиталовложений существенным исходным препятствием. Немаловажное значение имеет и тот фактор, что потребителям потребовалось бы устанавливать новую аппаратуру.

Вполне логично, что много работ было посвящено использованию существующей газовой инфраструктуры для хранения и транспорта полученного регенеративным путем водорода. В рамках поддерживаемого Европейским Союзом проекта NaturalHy исследовалась и была подтверждена техническая и прежде всего удовлетворяющая требованиям техники безопасности осуществимость идеи по закачке водорода в газопроводы, по которым транспортируется природный газ. Однако повышенное и прежде всего подверженное колебаниям относительное содержание водорода в природном газе приводит к возникновению проблем при работе оконечных устройств, поскольку многие из них допускают изменение так называемого числа Воббе лишь в узких пределах, расширение которых привело бы к необходимости дорогостоящего дооборудования оконечных устройств. Число Воббе для горючего газа, соответственно газообразного топлива, рассчитывается согласно стандарту DIN 51857 на основании теплоты сгорания газа и его относительной плотности и описывает тепловую мощность, достижимую при сгорании газа в горелке. В Нидерландах, например, число Воббе должно поддерживаться на уровне около 1 МДж/м3. Однако добавление водорода приводит уже при низком его относительном содержании около 5 об.% к выходу числа Воббе за допустимые пределы. Поэтому непосредственная закачка водорода в обычные газовые сети, используемые, например, для распределения природного газа, возможна лишь в малых объемах.

Альтернативная возможность по рациональному использованию электроэнергии, образующейся в повышенных количествах при ее получении с использованием ВЭ, заключается в превращении водорода и монооксида углерода, соответственно диоксида углерода в метан, в последующем называемом также метанизацией. В этом случае принципиально не существует никаких ограничений на количество подводимого потока. С другой стороны, необходимо учитывать, что метанизация дополнительно к производству собственно водорода требует существенных затрат на аппаратурное оформление и влечет за собой дополнительные потери энергии. Так, в частности, метанизация происходит в газовой фазе при температуре примерно от 200 до 300°C под избыточным давлением. Такая реакция ограничена в своем равновесии, в связи с чем требуется более или менее тщательная переработка технологических газов и их рециркуляция (возврат в цикл). Помимо этого подобная реакция носит высокоэкзотермический характер. Теплота реакции, прежде всего на более крупных установках, обычно не может использоваться (утилизироваться) вовсе или может использоваться лишь частично. По этой причине и без того уже низкий КПД дополнительно снижается во всей цепочке преобразования энергии.

Исходя из рассмотренного выше уровня техники, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать технически усовершенствованный способ применения, прежде всего накопления или рационального использования, электрической энергии, который не имел бы недостатков традиционных способов.

Предлагаемый в изобретении способ должен обеспечивать перевод электрической энергии, прежде всего избыточной возобновляемой энергии, пригодным для этого путем в аккумулируемую форму.

Задача настоящего изобретения состояла прежде всего в поиске путей по снижению аппаратурных и эксплуатационных затрат на аккумулирование (накопление), транспорт и использование полученного предпочтительно регенеративным путем водорода по сравнению с уровнем техники.

Подобный способ должен далее допускать возможность его масштабируемой реализации с тем, чтобы для аккумулирования водорода можно было бы использовать сравнительно небольшие установки, которые могут также иметь модульную конструкцию. Помимо этого должна обеспечиваться возможность децентрализованной работы таких установок.

Подобный способ должен, кроме того, обладать максимально высоким КПД Предлагаемый в изобретении способ должен далее допускать возможность его осуществления с использованием традиционных и повсеместно имеющихся в наличии инфраструктур.

Помимо этого предлагаемый в изобретении способ должен обеспечивать возможность предоставления в распоряжение ценных химикалий, образующихся в качестве дополнительных побочных продуктов при его осуществлении.

Такой способ должен далее обеспечивать возможность его максимально простого и экономически эффективного осуществления.

Подобный способ должен, кроме того, обеспечивать возможность его осуществления с минимально возможным количеством стадий, которые при этом должны быть простыми и воспроизводимыми.

Реализация подобного способа не должна быть далее связана с созданием угрозы окружающей среде или здоровью людей, и поэтому должна обеспечиваться возможность в основном отказаться от применения вредных для здоровья веществ или соединений, использование которых могло бы быть сопряжено с нанесением вреда окружающей среде.

Помимо этого подобный способ должен допускать возможность его применения независимо от фактического качества природного газа.

Эти задачи, а также другие задачи, которые хотя и не указаны выше в явном виде, но со всей очевидностью вытекают или непосредственно следуют из рассмотренных в начале настоящего описания аспектов, решаются с помощью способа, при осуществлении которого частичный поток, отбираемый от метансодержащего газового потока, обрабатывают плазмой, превращая таким путем часть метана в водород и высшие углеводороды и получая обработанный частичный поток, теплотворная способность которого выше, чем у метансодержащего газового потока.

Объектом настоящего изобретения является в соответствии с этим способ модифицирования метансодержащего газового потока, заключающийся в том, что

I) от метансодержащего газового (объемного) потока отбирают частичный (объемный) поток,

II) частичный поток обрабатывают электрически генерируемой плазмой с образованием газа модифицированного состава с меньшим относительным содержанием в нем метана, чем в метансодержащем газовом потоке, и

III) газ модифицированного состава возвращают в метансодержащий газовый поток.

Благодаря этому удалось неожиданным и не предсказуемым путем разработать способ рассмотренного выше типа, который обладает особо хорошим сочетанием свойств и который прежде всего не имеет недостатков, присущих традиционным способам.

Под метансодержащим газовым потоком согласно настоящему изобретению подразумевается газовый поток, который наряду с метаном может также содержать иные газообразные соединения. Применяемый метансодержащий газовый поток в предпочтительном варианте содержит метан в относительном количестве по меньшей мере 50 об.%, особенно предпочтительно по меньшей мере 60 об.%, прежде всего по меньшей мере 80 об.%. В предпочтительном варианте метансодержащий газовый поток представляет собой природный газ, городской (или бытовой) газ или биогаз, особенно предпочтительно природный газ. В особенно предпочтительном варианте метансодержащий газовый поток представляет собой природный газ, поток которого движется по магистральному или распределительному газопроводу.

При осуществлении предлагаемого в изобретении способа в предпочтительном варианте от метансодержащего газового потока отбирают в виде частичного потока максимум 80%, особенно предпочтительно максимум 60%, прежде всего максимум 40%.

Отбираемый частичный поток можно перед его обработкой плазмой направлять на хранение, направлять на аккумулирование, прежде всего промежуточное аккумулирование, перенаправлять и/или подвергать предварительной обработке.

Отбираемый частичный поток при осуществлении предлагаемого в изобретении способа обрабатывают электрически генерируемой плазмой. Термином "электрически генерируемая плазма" согласно изобретению называют электрически или электромагнитно возбуждаемый газовый разряд. Электрически генерируемая плазма может представлять собой тлеющий разряд, происходящий на значительном удалении от состояния термодинамического равновесия (неравновесная плазма с высокой электронной температурой), или газовый разряд, происходящий ближе к состоянию термодинамического равновесия (квазиизотермическая плазма). Методы генерирования плазмы известны специалисту из публикации Rutscher/Deutsch: Plasmatechnik - Grundlagen und Anwendungen - Eine Einfuhrung, лицензионное издание изд-ва Carl Hanser Verlag Munchen Wien, изд-во VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1984, глава 1.2 "Erzeugung des Plasmazustandes", c.46-58.

Обработку плазмой в принципе можно проводить при любом давлении. Для обработки плазмой давление отобранного частичного потока можно снижать. Однако при осуществлении предлагаемого в изобретении способа обработку плазмой предпочтительно проводить при давлении, которое лишь незначительно отличается от давления метансодержащего газового потока, благодаря чему отсутствует необходимость в дорогостоящем согласовании давления или в сжатии обработанного частичного потока для его возврата в метансодержащий газовый поток.

В предпочтительном варианте плазму генерируют путем возбуждения диэлектрического барьерного разряда. Устройства для возбуждения диэлектрического барьерного разряда в газовом потоке известны специалисту и имеются в продаже, например, для получения озона из (молекулярного) кислорода. Возбуждение диэлектрического барьерного разряда в метане с образованием этана описано в Beitr. Plasmaphys., 23, 1983, c.181-191. Обработку плазмой, генерируемой путем возбуждения диэлектрического барьерного разряда, предпочтительно проводить при давлении ниже 50 бар, особенно предпочтительно ниже 10 бар, прежде всего ниже 1,2 бара. Диэлектрический барьерный разряд можно возбуждать приложением переменного напряжения низкой частоты, например напряжения сетевой частоты в 50 Гц. Для повышения производительности можно работать при более высоких частотах вплоть до 100 ГГц. В предпочтительном варианте работают при частотах в принятых в технике диапазонах около 13 МГц, 900 МГц или 2,4 ГГц. Геометрию диэлектрического барьерного разряда и рабочие условия его возбуждения предпочтительно выбирать такими, чтобы произведение ширины образующего газовое пространство зазора между электродами на давление газа составляло от 0,75×10-3 до 7,5×103 мм·бар.

В альтернативном предпочтительном варианте плазму генерируют путем возбуждения дугового разряда. Устройства для возбуждения или создания дугового разряда в газовом потоке известны специалисту по способам получения ацетилена и описаны в Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5-е изд., т.A1, c.115-116, и т.A20, c.428-434. Дуговой разряд можно возбуждать постоянным током или переменным током. При осуществлении предлагаемого в изобретении способа дугу, образовавшуюся в результате газового разряда, в предпочтительном варианте обдувают по меньшей мере частью частичного потока. При осуществлении предлагаемого в изобретении способа скорость частичного потока и количество подводимой к нему посредством дугового разряда энергии предпочтительно выбирать такими, чтобы отнесенное к массе количество подводимой энергии было существенно ниже, чем при получении ацетилена известными способами. В одном из предпочтительных вариантов часть частичного потока пропускают сквозь дуговой разряд и образовавшийся при этом горячий газ сразу же после этого химически и термически резко охлаждают путем смешения с оставшейся частью частичного потока. В еще одном предпочтительном варианте возбуждением дугового разряда в потоке водорода генерируют плазму и частичный поток обрабатывают генерируемой таким путем плазмой. Для образования дугового разряда в потоке водорода предпочтительно использовать плазменную горелку и направлять струю генерируемой такой горелкой водородной плазмы в частичный поток.

В еще одном предпочтительном варианте вместо дугового разряда плазму можно также генерировать путем образования искрового разряда, радиочастотного разряда или высокочастотного разряда, например, микроволнового разряда.

Частичный поток можно также многократно обрабатывать электрически генерируемой плазмой, при этом можно также комбинировать между собой диэлектрические барьерные разряды, дуговые разряды, искровые разряды, радиочастотные разряды и высокочастотные разряды.

При обработке плазмой происходит превращение метана в высшие углеводороды и водород, прежде всего этан и водород в соответствии со следующим уравнением реакции:

2CH4→C2H6+H2.

Поэтому газ модифицированного в результате обработки плазмой состава в предпочтительном варианте содержит водород и этан в большем количестве, чем частичный поток, отобранный от метансодержащего газового потока. Наряду с этаном могут также присутствовать такие высшие углеводороды, как пропан и бутан. В зависимости от технологических условий обработки частичного потока плазмой дополнительно возможно также, прежде всего при подводе энергии в большем количестве и при высокой температуре плазмы, образование ненасыщенных углеводородов, таких как этен, пропен и ацетилен, а также сажи. Поэтому газ модифицированного в результате обработки плазмой состава в особенно предпочтительном варианте содержит также пропан, этен и/или пропен в большем количестве, чем частичный поток, отобранный от метансодержащего газового потока. В том случае, когда метансодержащий газовый поток содержит кислород, воду или диоксид углерода, газ модифицированного в результате обработки плазмой состава может, кроме того, содержать монооксид углерода в повышенном относительном количестве.

Электрическую энергию, используемую для генерирования плазмы, можно динамически согласовывать в соответствии с ее фактическим наличием или количеством. В предпочтительном варианте электрическая энергия представляет собой избыточную электроэнергию, которая в особенно предпочтительном варианте получена с использованием возобновляемых энергоресурсов. Предлагаемый в изобретении способ позволяет рационально накапливать переизбыток электроэнергии, которая по причине ограничений, накладываемых на нагрузочную способность электросети, или по причине слишком низкой потребности в электроэнергии во время ее подачи не может подаваться в электросеть, в виде химической энергии. В предпочтительном варианте предлагаемая в изобретении обработка плазмой является регулируемой, при этом регулирование может осуществляться прежде всего в зависимости от фактического наличия или количества электроэнергии.

В зависимости от имеющегося в наличии количества энергии и объема отбираемого частичного потока состав модифицированного газа может существенно варьироваться, при этом содержание метана уменьшается в пересчете на его количество в исходно используемом, содержащем его газе. Помимо этого объем или количество метансодержащего газового потока может изменяться, и поэтому после возврата газа модифицированного состава в метансодержащий газовый поток возникают колебания его состава. Вследствие этого в общем случае получают средние значения, при этом степень превращения часто можно выбирать сравнительно низкой с сохранением рентабельности установки. В одном из особенно предпочтительных вариантов относительное содержание метана в газе модифицированного состава может по данным одногодичных наблюдений составлять по меньшей мере 20 об.%, предпочтительно по меньшей мере 40 об.%, наиболее предпочтительно по меньшей мере 60 об.%. Увеличение содержания высших углеводородов в газе модифицированного состава может составлять, например, от 0,01 до 40 об.%, предпочтительно от 1 до 30 об.%, наиболее предпочтительно от 5 до 20 об.%. Такие значения относятся к периоду до настройки числа Воббе на заданное значение, при этом подобные данные представляют собой среднее значение, которое следует определять усреднением за одногодичный интервал времени.

Помимо этого можно предусмотреть создание условий, при которых обработка плазмой в зависимости от требуемых целевых значений числа Воббе приводит к сдвигу химического превращения метана далее в направлении следующих высших углеводородов. Превращением метана при этом можно управлять прежде всего в зависимости от подверженного значительным колебаниям количества электрической энергии, превращая большее количество метана при наличии высокого количества возобновляемой энергии и превращая меньшее количество метана при наличии малого ее количества.

В том случае, когда в устройстве, в котором осуществляется обработка плазмой, образуются отложения, например, в виде нагара, соответственно копоти или в результате выделения смол, их можно удалять, генерируя в устройстве плазму в кислородсодержащем газе, например воздухе. Для этого в предпочтительном варианте прерывают обработку частичного потока или процесс удаления отложений проводят в тот период времени, в который не должна выполняться обработка никакого частичного потока.

После обработки плазмой газ модифицированного состава полностью или частично возвращают в метансодержащий газовый поток. В метансодержащий газовый поток предпочтительно возвращать по меньшей мере 20 об.%, особенно предпочтительно по меньшей мере 60 об.%, прежде всего по меньшей мере 80 об.%, газа модифицированного состава. До возврата газа модифицированного состава в метансодержащий газовый поток затрудняющие транспорт газа по трубопроводу компоненты, такие как сажа или высшие углеводороды, можно удалять пригодными для этого способами, такими как фильтрация, конденсация или мокрая газоочистка (промывка газа). В том случае, если давление отобранного частичного потока до или во время его обработки электрически генерируемой плазмой было снижено, давление газа модифицированного состава предпочтительно повышать до его возврата в метансодержащий газовый поток с помощью компрессора.

Газ модифицированного в результате его обработки плазмой состава можно до его полного или частичного возврата в метансодержащий газовый поток направлять на хранение, направлять на аккумулирование, прежде всего промежуточное аккумулирование, перенаправлять и/или подвергать последующей обработке.

В предпочтительном варианте газ модифицированного состава при его возврате в метансодержащий газовый поток имеет число Воббе, схожее с числом Воббе метансодержащего газового потока. В предпочтительном варианте отношение числа Воббе газа модифицированного состава к числу Воббе метансодержащего газового потока составляет от 0,7:1 до 1:0,7, особенно предпочтительно от 0,85:1 до 1:0,85, прежде всего от 0,95:1 до 1:0,95.

Достичь схожих между собой чисел Воббе газа модифицированного состава и метансодержащего газового потока можно путем превращения метана при обработке плазмой в низкой степени. Однако для достижения схожих между собой чисел Воббе газа модифицированного состава и метансодержащего газового потока независимо от степени превращения метана к газу модифицированного состава перед его возвратом в метансодержащий газовый поток предпочтительно добавлять дополнительный газ, предпочтительно газ, который является негорючим или обладает меньшей теплотворной способностью, чем метансодержащий газовый поток. Подобная мера позволяет при осуществлении предлагаемого в изобретении способа надежно исключить изменение числа Воббе метансодержащего газового потока на слишком большую величину из-за большей в сравнении с отобранным частичным потоком теплотворной способности газа модифицированного состава, что могло бы пойти во вред для конечного потребителя по причине узких допустимых пределов изменения числа Воббе газа, подаваемого в установленные у конечного потребителя приборы. Для снижения числа Воббе до значения, установленного организацией, эксплуатирующей газопровод, предпочтительно добавлять дополнительный газ, содержащий кислород, азот, диоксид углерода, монооксид углерода и/или водород. Такой дополнительный газ может, кроме того, содержать еще и водяной пар, содержание которого должно поддерживаться на столь низком уровне, чтобы после возврата газа модифицированного состава в метансодержащий газовый поток не превышалась требуемая точка росы.

В предпочтительном варианте кислород и азот добавляют в виде воздуха. Слишком высокое при высокой степени превращения метана число Воббе можно снижать до требуемого значения путем адекватного примешивания воздуха. При соответственно низкой степени превращения метана в процессе обработки плазмой для этой же цели требуются столь малые количества воздуха, при которых не превышается максимально допустимое содержание кислорода в газопроводах, по которым транспортируется природный газ (согласно рекомендациям DVGW (Ассоциации фирм по газо- и водоснабжению Германии) оно составляет 4%).

В том случае, когда метансодержащий газовый поток представляет собой природный газ, в качестве дополнительного газа можно также добавлять биогаз, который в предпочтительном варианте не очищают или очищают лишь частично и который имеет меньшее число Воббе, чем природный газ.

В одном из предпочтительных альтернативных вариантов можно также расщеплять воду путем электролиза на водород, который затем для регулирования числа Воббе добавляют в качестве дополнительного газа в газ модифицированного состава, преимущественно природный газ. В предпочтительном варианте для обоих процессов - обработки плазмой и электролиза - используют избыточную электроэнергию, которую распределяют между процессом обработки плазмой и процессом электролиза таким образом, чтобы число Воббе после добавления водорода, полученного путем электролиза, соответствовало числу Воббе метансодержащего газового потока. В отличие от непосредственного добавления чистого водорода в газопроводы, примешивание которого к природному газу в относительном количестве даже порядка нескольких объемных процентов уже приводит к существенному снижению числа Воббе природного газа, подобное сочетание обработки плазмой и электролиза позволяет подавать водород в газопровод в больших количествах при сохранении заданного числа Воббе. Параметры и рабочие условия проведения процессов электролиза и обработки плазмой в их сочетании между собой можно при этом простым путем согласовывать с местным качеством природного газа и даже с изменяющимся качеством природного газа уже после начала эксплуатации. К этому следует добавить, что часть "избыточной электроэнергии" расходуется на повышение теплотворной способности природного газа, благодаря чему при той же "аккумулирующей мощности" или "емкости" появляется возможность более компактного аппаратурного оформления особо дорогого в осуществлении электролиза по сравнению с аккумулированием энергии исключительно в виде электролитически полученного водорода.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа непрерывно или периодически измеряют число Воббе газа модифицированного состава и на основании измеренного значения регулируют количество добавляемого дополнительного газа. Приборы, пригодные для непрерывного или периодического измерения числа Воббе газовой смеси, имеются в продаже, например, выпускаются фирмой Union Instruments в виде калориметра с обозначением CWD2005 или фирмой AMS Analysen-, Mess- und Systemtechnik в виде анализатора под названием RHADOX™.

Вместо добавления дополнительного газа после обработки плазмой его можно также добавлять до или в процессе обработки плазмой. В одном из предпочтительных вариантов добавления дополнительного газа в процессе обработки плазмой в потоке водорода путем возбуждения дугового разряда генерируют плазму и частичный поток обрабатывают генерируемой таким путем плазмой. Для генерирования плазмы при этом предпочтительно использовать так называемый плазматрон, который описан в публикации Rutscher/Deutsch: Plasmatechnik - Grundlagen und Anwendungen - Eine Einfuhrung, лицензионное издание изд-ва Carl Hanser Verlag Munchen Wien, изд-во VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1984, глава 1.2 "Erzeugung des Plasmazustandes", c. 241-247. Используемый в этих целях водород в предпочтительном варианте получают путем электролиза воды.

В еще одном предпочтительном варианте от газа модифицированного состава избирательно отделяют по меньшей мере один компонент. В предпочтительном варианте таким компонентом является водород, монооксид углерода, этен, пропен или пропан. Возможно также раздельное или совместное отделение двух или более компонентов. Для подобного отделения компонентов можно использовать все известные специалисту по их применению в этих целях методы разделения, а предпочтительно использовать мембранный метод разделения. В этом отношении следует отметить, что полное отделение того или иного компонента не требуется, а вместо этого степень отделения можно оптимизировать исходя из экономических соображений. Так, например, водород можно отделять для его использования в процессах гидрирования или этен и/или пропен можно отделять для их/его использования в процессах химического синтеза. В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа путем избирательного отделения водорода от газа модифицированного состава создают поток водорода, в этом потоке водорода генерируют плазму путем возбуждения дугового разряда и частичный поток обрабатывают генерируемой таким путем плазмой. В предпочтительном варианте объем газа модифицированного состава уменьшают в результате избирательного отделения его компонентов максимум на 60 об.%, особенно предпочтительно максимум на 40 об.%, прежде всего максимум на 20 об.%.

В том случае, когда метансодержащий газовый поток представляет собой природный газ в газовой сети, такие компоненты альтернативно можно также отбирать из газовой сети в любом месте. Так, например, водород было бы проще отделять от природного газа в газовой сети (что реализуемо прежде всего в меньших по своим размерам установках) по месту потребления водорода, чем производить его путем риформинга природного газа. Альтернативно этому этан, этен, пропан и/или пропен можно было бы выделять в качестве сжижаемого газа для питания ДВС. При отборе тех или иных компонентов возможно следует учитывать необходимость поддержания числа Воббе в газопроводе на неизменном уровне. При отделении водорода число Воббе обедненной этим компонентом газовой смеси может возрастать, тогда как при отборе высших углеводородов ее число Воббе может, наоборот, снижаться. Поэтому для поддержания числа Воббе постоянным можно при расположении места отбора на удалении от места обработки плазмой предусмотреть наряду с отбором водорода и отбор еще какого-либо ценного вещества, такого, например, как этен или пропен. В другом варианте можно отбирать (только) водород и в месте его отбора добавлять другой газ, который является негорючим, как, например, азот, или имеет меньшее число Воббе, чем природный газ.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет переводить избыточную электрическую энергию, производимую предпочтительно с использованием возобновляемых энергоресурсов, таких, например, как ветровая энергия или фотоэлектрическая энергия, в аккумулируемую форму и аккумулировать ее, например, в существующей инфраструктуре по хранению природного газа.

Предлагаемый в изобретении способ обладает высоким КПД и может децентрализованно использоваться при эксплуатации стандартных малых установок, например, в виде малогабаритных (компактных) установок контейнерной конструкции. Предлагаемый в изобретении способ предпочтительно использовать при эксплуатации установки контейнерной конструкции с интегрированной инфраструктурой, описанной в WO 2010/028869.

Помимо этого предлагаемый в изобретении способ обеспечивает возможность его осуществления со сравнительно малым количеством стадий, которые являются простыми и воспроизводимыми. Благодаря этому предлагаемый в изобретении способ обеспечивает возможность его простого и экономически эффективного осуществления.

Реализация предлагаемого в изобретении способа, кроме того, не связана с созданием угрозы окружающей среде или здоровью людей, и поэтому обеспечивается возможность в основном отказаться от применения вредных для здоровья веществ или соединений, использование которых могло бы быть сопряжено с нанесением вреда окружающей среде. Предлагаемый в изобретении способ обеспечивает даже возможность его реализации безо всяких вредных выбросов.

Помимо этого существует возможность регулирования так называемого числа Воббе модифицированного метансодержащего газового потока таким образом, чтобы оно соответствовало значению в стандартном газопроводе, по которому транспортируется природный газ.

Предлагаемый в изобретении способ дополнительно позволяет предоставлять в распоряжение ценные химикалии, образующиеся в качестве дополнительных побочных продуктов при его осуществлении.

Предлагаемый в изобретении способ, кроме того, не зависит от местного качества природного газа при его использовании в качестве метансодержащего газового потока.

Помимо этого применение электрической мощности, соответственно энергии, которая не может использоваться в других целях и которая получена, например, с использованием возобновляемых энергоресурсов, позволяет повысить теплотворную способность природного газа путем получения водорода и этана из метана, благодаря чему для получения определенного количества энергии из такого газа требуется меньшее его количество по сравнению с необработанным природным газом. Таким путем удается добиться экономии природного газа.

По сравнению с электролитическим производством водорода в сочетании с метанизацией капитальные затраты, связанные с реализацией предлагаемого в изобретении способа, явно ниже.

Для предлагаемого в изобретении способа характерны, кроме того, явно меньшие в пересчете на такое же количество аккумулированной энергии потери КПД по сравнению с метанизацией. Сказанное справедливо прежде всего в том случае, когда необходимый для метанизации диоксид углерода не имеется в наличии из дымовых газов или биогазовых установок в повышенной концентрации, а должен быть получен из воздуха. Метанизация требует, кроме того, создания высоких температур, при этом утилизация образующегося при метанизации отходящего тепла возможна лишь при условии высоких затрат, что большей частью нерентабельно.

В отличие от газофазного процесса метанизации обработка плазмой при осуществлении предлагаемого в изобретении способа допускает возможность сравнительно хорошего динамического управления ею, т.е. возможность ее гибкого и регулируемого согласования с фактически имеющимся в наличии количеством электроэнергии. При объединении предлагаемого в изобретении способа с процессом получения водорода путем электролиза одновременно с образованием такого получаемого электролитическим путем водорода происходит образование смесей из углеводородов и водорода, характеризующихся повышенными теплотворной способностью и числом Воббе. Поэтому отсутствует необходимость в промежуточном аккумулировании или хранении водорода. В отличие от этого при метанизации, которую для рентабельной эксплуатации установки предпочтительно проводить в непрерывном режиме, т.е. без временной привязки к процессу электролиза, необходима возможность промежуточного аккумулирования или хранения водорода, которая обычно требует также дополнительных аппаратурных и энергетических затрат на сжатие водорода.

Потребность в удельных капитальных затратах на электролиз, равно как и на обработку плазмой ниже, чем на высокотемпературную метанизацию. Поэтому упрощается возможность экономически эффективной реализации малых децентрализованных установок, например установок контейнерного типа, с высоким потенциалом их стандартизации.

Другие преимущества перед метанизацией с участием водорода состоят в возможном сокращении выбросов, поскольку наличие водорода в метансодержащем газовом потоке приводит к снижению выбросов NOx при сгорании газа.

Применение биогаза в качестве метансодержащего газового потока или добавление биогаза в качестве дополнительного газа позволяет упростить переработку биогаза в целях доведения его качества до необходимого для подачи в газовую сеть уровня. Биогаз можно в ходе обработки плазмой непосредственно или в сочетании с природным газом, присутствующим по месту запланированной подачи в газовую сеть, обогащать таким образом, что переработка биогаза абсорбционными, адсорбционными и/или мембранными методами перед подачей в газовую сеть становится излишней или по меньшей мере существенно снижаются затраты на такую переработку.

1. Способ модифицирования метансодержащего газового потока, заключающийся в том, что
I) от метансодержащего газового потока отбирают частичный поток,
II) частичный поток обрабатывают электрически генерируемой плазмой с образованием газа модифицированного состава с меньшим относительным содержанием в нем метана, чем в метансодержащем газовом потоке, и
III) газ модифицированного состава возвращают в метансодержащий газовый поток.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве метансодержащего газового потока используют природный газ или биогаз, предпочтительно природный газ.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что получают газ модифицированного состава, содержание водорода и этана в котором выше, чем в отобранном частичном потоке.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что получают газ модифицированного состава, содержание пропана, этена и/или пропена в котором выше, чем в отобранном частичном потоке.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что к газу модифицированного состава перед его возвратом в метансодержащий газовый поток добавляют дополнительный газ.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что используют дополнительный газ, содержащий кислород, азот, диоксид углерода, монооксид углерода и/или водород.

7. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что используют дополнительный газ, содержащий воздух.

8. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что используют дополнительный газ, содержащий водород, полученный при электролизе воды.

9. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что в качестве метансодержащего газового потока используют природный газ, а в качестве дополнительного газа - биогаз.

10. Способ по п.5 или 6, отличающийся тем, что непрерывно или периодически измеряют число Воббе газа модифицированного состава и на основании измеренного значения регулируют количество добавляемого дополнительного газа.

11. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что отношение числа Воббе газа модифицированного состава к числу Воббе метансодержащего газового потока составляет от 0,85:1 до 1:0,85.

12. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что от газа модифицированного состава перед его возвратом в метансодержащий газовый поток избирательно отделяют по меньшей мере один компонент.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что избирательно отделяют водород, монооксид углерода, этен, пропен и/или пропан.

14. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что плазму генерируют, используя электроэнергию, полученную с использованием возобновляемых энергоресурсов.

15. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что обработку плазмой проводят в зависимости от фактического количества электроэнергии.

16. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что плазму генерируют путем возбуждения диэлектрического барьерного разряда в частичном потоке.

17. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что путем возбуждения дугового разряда в потоке водорода генерируют плазму и частичный поток обрабатывают генерируемой таким путем плазмой.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что водород получают путем электролиза воды.

19. Способ по п.17, отличающийся тем, что водород получают путем его избирательного отделения от газа модифицированного состава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу переработки парафинов и/или алкилатов путем воздействия ускоренными электронами на содержащую их сырьевую смесь с получением продуктов радиолиза, в том числе, продуктов крекинга, осуществляют, используя в качестве сырья парафины и/или алкилаты с соотношением атомов водорода и углерода не более 2.15, разбавленные не менее чем в 10 раз парафинами с соотношением атомов водорода и углерода не выше 2.30.

Изобретение относится к области химической технологии некаталитического гидрообессеривания нефтепродуктов: бензиновых, керосиновых, дизельных фракций, вакуумных дистиллятов, нефтяных остатков.

Изобретение относится к способам очистки газовых выбросов от полициклических ароматических углеводородов, в частности бенз(а)пирена. Способ включает облучение газовых выбросов ультрафиолетовым излучением электрического разряда в спектральном диапазоне длин волн 290-430 нм со средней плотностью световой энергии 10-3-3×10-1 Дж/см2 в присутствии озона и воды в виде жидкости или пара при температуре газовых выбросов 0°C-250°C, причем озон получают путем облучения потока воздуха, подаваемого в камеру предварительного облучения, при этом большие значения средней плотности световой энергии из указанного диапазона используют в камере предварительного облучения, а меньшие непосредственно в газоходе установки.

Изобретение может быть использовано в химической, горнорудной промышленности. Восстановление железа, кремния и восстановление диоксида титана до металлического титана проводят путем генерации электромагнитных взаимодействий частиц SiO2, кремнийсодержащего газа, частиц FeTiO3 и магнитных волн.

Изобретение относится к технологии получения нанокристаллического карбида кремния. Способ включает плазмодинамический синтез карбида кремния в гиперскоростной струе электроразрядной плазмы, содержащей кремний и углерод в соотношении 3,0:1, которую генерируют коаксиальным магнитоплазменным ускорителем с графитовыми электродами и направляют в замкнутый объем, заполненный газообразным аргоном при нормальном давлении и температуре 20°C, при этом температуру газообразного аргона в замкнутом объеме изменяют в диапазоне от -20°C до 19°C и от 21°C до 60°C.

Изобретение относится к области получения кристаллического кремния. Способ включает термическое восстановление кварцитов до элементарного кремния с помощью восстановительной газовой смеси с использованием плазмы, при этом процесс ведут одностадийно во встречных потоках кварцитов и восстановителя, в качестве восстановителя используется смесь углеводородов и водяных паров, количество которых не более ¼ необходимого для протекания реакции конверсии, а суммарное количество углерода, содержащегося в углеводородах, не менее чем в 1,5 раза превышает стехиометрически необходимое количество для реализации процесса полного восстановления кварцитов.

Группа изобретений относится к области переработки углеводородного сырья (CH4) - к способу и устройству (реактору) для получения синтез-газа. Способ получения синтез-газа путем каталитического превращения метана посредством пропускания реагентов через неподвижный слой катализатора, в качестве неподвижного слоя катализатора используют кольцевой слой катализатора, в котором реагенты пропускают от внутренней к наружной поверхности кольцевого слоя катализатора, в качестве реагентов используют смесь метана с газообразными реагентами, дополнительно содержащую продукты плазмохимического распада газообразных реагентов или их смеси, тепловой режим процесса обеспечивают путем смешивания продуктов плазмохимического распада со смесью метана с газообразными реагентами, а, по крайней мере, часть реагентов подают непосредственно в плазмохимическую зону.

Изобретение относится к способу очистки газовых выбросов и может быть использовано на предприятиях металлургической, химической, нефтяной, коксохимической, теплоэнергетической отраслей промышленности.

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано в медицине, фармацевтике, косметологии. Наночастицы платиновых металлов получают в прозрачной жидкости на водной основе 7 при разрушении мишени 6 из платинового металла или сплава кавитацией, возникающей путем доставки лазерного излучения 2, представленного в виде импульсов сфокусированного излучения лазера на парах меди 1 с величиной энергии импульса 1-5 мДж и длительностью импульса 20 нс, с частотой следования импульсов 10-15 кГц и плотностью мощности 5,7 ГВт/см2, через прозрачное дно кюветы 5 к мишени 6, помещенной в кювету 5 с прозрачной жидкостью на водной основе 7.

Изобретение относится к области ядерно-физических способов обработки материалов и может найти применение в технологических процессах диффузионного соединения разнородных материалов.

Изобретение может быть использовано для получения синтез-газа. Микроволновой плазменный газификатор содержит вертикально расположенный цилиндрический корпус 2, питающее устройство 1, верхнюю форсунку 5 распыления пара, нижнюю форсунку 4 диоксида углерода/пара, выпуск для синтез-газа, блок мониторинга 6, микроволновой генератор плазмы, внешнее нагревающее устройство 9. Способ газификации биотоплива с использованием микроволнового плазменного газификатора заключается в том, что получают синтез-газ, смешивают его с плазменными окислителями и осуществляют внешний нагрев газификатора с помощью непрореагировавших углеродных остатков и материалов слоя, нагреваемых во внешнем нагревающем устройстве 9. Изобретение позволяет повысить содержание эффективных компонентов в синтез-газе, создать более эффективный и экономичный процесс полной утилизации в комбинации с получением различных видов энергий. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 пр.

Изобретение относится к газоразрядным источникам света, в частности к ультрафиолетовой эксимерной лампе, а также к системе и способу для обработки текучей среды. Ультрафиолетовая эксимерная лампа содержит два электрода и несколько герметизированных трубок, причем некоторые из трубок содержат внутри эксимерный газ, трубки размещены частично между двумя электродами, при этом электроды не размещены между любыми из нескольких герметизированных трубок. Система для обработки текучей среды содержит камеру обработки, соединенную с впускным и выпускным отверстиями для текучей среды, и эксимерный газоразрядный источник света, выполненный с возможностью воздействия излучением на текучую среду, проходящую через камеру обработки. Способ очистки текучих сред включает генерацию света с использованием эксимерного газоразрядного источника света, имеющего длину волны в диапазоне от 100 нм до 400 нм, и освещение текущей среды светом. Изобретение обеспечивает простую и недорогую конструкцию и длительную работу лампы, а также эффективную очистку текучих сред от загрязняющих примесей. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 10 ил.
Наверх