Способ уменьшения содержания углерода в углеводородном газе

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В УГЛЕВОДОРОДНОМ ГАЗЕ(71) Заявитель КВЕРНЕР ИНЖИНИРИНГ А.С.(73) Патентообладатель КВЕРНЕР ИНЖИНИРИНГ А. С.(57) 1. Способ уменьшения содержания углерода в углеводородном газе, включающий пиролитическое разложение его в реакторе с плазменной горелкой с получением углерода и потока водорода и не- разложившегося газа, отделение углерода от потока водорода и неразложившегося газа, отличающийся тем, что полученный после пиролитического разложения поток водорода и неразложившегося газа подают в качестве топлива на сгорание с генерированием энергии и выбросом отработанных газов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородного газа используют природный газ. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поток водорода и неразложившегося газа является водородным топливом. Изобретение относится к способу уменьшения содержания углерода в питающем потоке природного газа или других углеводородных газов для процесса сжигания, в котором необходимо устранить до требуемой степени или, по крайней мере, уменьшить выбросы диоксида углерода после сжигания газа, например, на энергетических станциях. Во время сгорания ископаемых видов топлива угля, природного газа и других углеводородов в отходящих газах присутствуют и вода в виде пара, и диоксид углерода. Пропорциональное соотношение между этими двумя газами зависит от количественного отношения содержания углерода к содержанию водорода в используемом топливе. Уголь дает почти исключительно диоксид углерода, метан дает воду и диоксид углерода в соотношении 21, тогда как водород дает только воду. При усилиях, направленных на уменьшение парникового эффекта, выбросы диоксида углерода становятся все менее допустимыми. Таким образом, жизненно важно ограничить эти выбросы или исключить их полностью. Известны способ и устройство для производства углеродной сажи и водорода в плазменной реакционной камере 1. Исходное сырье в виде углеводородов в жидком или газообразном состоянии вводят через горловину в один конец реакционной камеры, смешивают в водородном плазменном потоке и подвергают пиролизу в реакторе. Способ обеспечивает уменьшение содержания углерода в углеводородном газе. Известен способ, в котором часть потока исходного сырья, предназначенная для процесса конверсии углеводородов, разлагают с получением углеродной сажи в плазменной реакционной камере 2. Промышленный процесс производства водорода включает в себя два этапа. Первый этап - это конверсия потока углеводорода для получения газа, содержащего, главным образом, моноксид углерода и водород. Затем этот газ вступает в реакцию с потоком при более низкой температуре для преобразования моноксида углерода в диоксид углерода и водород. Отделение диоксида углерода дает продуктовый поток водорода. Процесс дает большое количество диоксида уг 2109 1 лерода, который считается продуктом с незначительной энергией и с недостаточной экономической ценностью. Кроме того, отходящий газ из пиролитического реактора содержит газы многих типов, такие, как ацетилен и более высокие ацетилены, которые должны быть удалены до того, как получится газ, содержащий только водород и метан, необходимые для второй стадии процесса конверсии потока. Там же приведена информация о том, что содержание метана не может превышать 7 процентов. Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в том, чтобы за счет предложения способа уменьшения содержания углерода в природном газе или углеводородном газе после их сжигания могла быть достигнута требуемая степень уменьшения содержания диоксида углерода. Можно достичь полного уменьшения углерода за счет использования в качестве топлива чистого водорода, что приводит к полному исключению выбросов диоксида углерода. Задачей изобретения является также возможность использования природного газа в качестве топлива со значительно уменьшенным производством диоксида углерода, т.е. в газовой турбине. Поставленная задача решена следующим образом. Предложен способ уменьшения содержания углерода в углеводородном газе, включающий пиролитическое разложение его в реакторе с плазменной горелкой с получением углерода и потока водорода и неразложившегося газа, отделение углерода от потока водорода и неразложившегося газа, в котором согласно изобретению полученный после пиролитического разложения поток водорода и неразложившегося газа подают в качестве топлива на сгорание с генерированием энергии и выбросом отработанных газов в качестве углеводородного газа используют природный газ поток водорода и неразложившегося газа является водородным топливом. Изобретение связано с методом разложения части природного газа на высококачественную углеродную сажу без понижения количества синтез-газа. Метод разложения в пиролитическом процессе природного газа частично на водород обеспечивает регулирование скорости разложения таким образом, чтобы отходящий газ содержал определенное количество водорода. Настоящее изобретение использует возможности регулировки и добавления любого количества водорода в поток природного газа, и это количество может регулироваться согласно рабочим условиям, а также без учета окружающей среды, например, для получения самого возможно низкого . Например, путем добавления 15 водорода в метан можно достичь снижения содержанияв процессе сгорания. Основу изобретения составляет факт, что существует возможность пиролитического разложения углеводородов на углерод и водород. Используя в качестве топлива чистый водород, можно устранить выбросы диоксида углерода. Если углерод удаляют из используемых в качестве топлива природного газа или углеводородного газа, то при сжигании можно уменьшить выбросы диоксида углерода. Уменьшение выбросов диоксида углерода может быть достигнуто за счет проведения полной или частичной конверсии природного газа или углеводородных газов в питающем потоке, поступающем на сжигание. Питающий поток разлагают до требуемой степени на углерод и водород, после чего природный газ с уменьшенным содержанием углерода поступает на сжигание, и углеродную составляющую удаляют из процесса для отдельного использования. Такое уменьшение может быть достигнуто также при конверсии части потока природного газа или углеводородного газа. В обоих случаях разложение до углерода и водорода требует затрат энергии. Содержание энергии в газах с уменьшенным содержанием углерода будет ниже по сравнению с чистым природным газом или углеводородным газом, т.к. освобожденный углерод представляет потерю энергии. Результат будет в том, что для достижения эффекта как и в случае использования чистого природного газа или углеводородного газа, для обеспечения процесса потребуется большее количество газа с уменьшенным содержанием углерода. Степень этого дополнительного количества будет зависеть от степени, до которой должно быть уменьшено содержание углерода, т.е. от степени, до которой должна быть проведена конверсия, и также от эффективности рассмотренных процессов сжигания. Цель заключается в создании возможности использовать чистый водород в качестве газа, поступающего на сжигание, для того, чтобы тем самым достичь полного исключения выбросов СО 2. Однако в существующих установках отсутствуют технологические условия по использованию чистого водорода, что делает необходимым добавлять некоторое количество углеводородов. Поэтому способ разработан таким образом, чтобы имелась возможность добавить некоторое количество природного газа или углеводородного газа к потоку водорода, и количество может быть отрегулировано в соответствии с технологическими условиями. Как известно, после процесса сжигания газовые выбросы очищаются, и способы очистки во многих случаях являются чрезвычайно дорогими, например как в случае каталитической очистки. Благодаря изобретению установлено, что издержки, полученные в результате конверсии природного газа или углеводородного газа, которые используются в качестве топлива для установок по сжиганию, могут быть компенсированы, и это дает возможность достичь экономически выгодного процесса, несмотря на потери энер 2 2109 1 гии в потоке, поступающем на сжигание. В способе, соответствующем изобретению, это достигается за счет получения в пиролитическом процессе дополнительно к водороду и чистого углерода. Углистый материал присутствует в форме углеродной сажи, и в таком виде материал имеет очень высокую ценность. Углеродная сажа в металлургической промышленности может использоваться в качестве восстановительного агента или на обычном рынке углеродной сажи. Если углистый материал используется для анодов в алюминиевой промышленности, это создает определенные преимущества как с точки зрения охраны окружающей среды, так и с экономической точки, т.к. новые аноды не загрязняют ни электролит, ни через него продукт, или окружающую среду за счет выбросов серы и смолы. С помощью изобретения получена высокая комбинация преимуществ, включающих получение финансово приемлемого промышленного продукта и сохранение окружающей среды, т.е. уменьшение загрязнения. В качестве примера использования способа выбрана работа энергетической станции, использующей в качестве топлива для сжигания природный газ. Пример предназначен для иллюстрации главных принципов изобретения. Другие применения изобретения заключаются в производстве чистого водорода и в использовании способа во всех процессах, в которых в качестве источника энергии используют природный газ или другие углеводороды. В особенности изобретение является приемлемым в связи с получением энергии на топливных установках, использующих для сжигания водород. В питающих сетях энергетических станций, использующих в качестве топлива для сжигания природный газ - метан, устанавливают реактор, который работает в соответствии с пиролитическим принципом действия плазменной горелки, и который вызывает разложение поступающего природного газа и углеводородного газа до составляющей водорода и составляющей частиц углерода. Реактор может быть установлен в прямой линии питания или в обводной линии. Способ действия такого реактора и конструкция плазменной горелки для него описаны в патенте Норвегии 91 4904 и 91 4907. Как описано в этих документах, для углеродной составляющей может быть достигнут контроль качества. Образовавшийся водород также может быть использован при подаче обратно в реактор в качестве газа, образующего плазму, причем это создает возможность работы реактора без какого либо загрязнения окружающей среды. Водородный газ из реактора затем подают на газовую турбину, где он используется или отдельно, или вместе с углеводородами (метаном) в качестве топлива для газовой турбины. Газовая турбина действует в обычном режиме. Однако в этом случае существует одна главная особенность, которая заключается в том,что выбросы диоксида углерода уменьшены или полностью исключены. Степень, до которой уменьшаются выбросы диоксида углерода, зависит от того, насколько много водорода в источнике газа, питающем турбину. Во всем процессе можно регулировать содержание водорода, от отсутствия добавок водорода до чистого водорода. Заказ 0058 Тираж 20 экз. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.