СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА ИЗ ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПЕРЕГРЕТОГО ПАРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF PRODUCING HYDROGEN-CONTAINING GAS FROM NATURAL GAS AND SUPERHEATED STEAM AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к способу получения водородсодержащего газообразного топлива путем электрической и высокотемпературной конверсии природного газа и может быть использовано в энергетических газотурбинных и парогазовых установках.
Известен способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси (Патент РФ №2639397), согласно которому смесь природного газа и пара нагревают теплом расширенных продуктов сгорания, подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, нагревают ее до температуры 620-680°С теплом охлаждения камеры сгорания, направляют во второй каталитический реактор и обогащенную в нем водородом парогазовую смесь подают в камеру сгорания.
Недостатком этого способа является применение в нем двух адиабатических каталитических реакторов, что усложняет газотурбинную установку. Известно, что метан, содержащийся в природном газе, в смеси с перегретым паром может подвергаться термическому разложению при повышении температуры смеси выше 900°С. (Справочник химика 21. Химия и химическая технология. Стр. 242).
Известен многоступенчатый способ получения водородсодержащего газообразного топлива и теплогазогенераторная установка его реализации (способ Аракеляна Г.Г.) (Патент РФ №2478688). Получение водородсодержащего газообразного топлива осуществляют в этом способе многостадийно. На первом этапе способа из воды получают перегретый пар, смешивают его с углеводородным компонентом, пароуглеродную смесь нагревают до температуры образования водородсодержащего газообразного топлива, на второй ступени поджигают его с повышением температуры огневого факела до 1000-1300°С, на следующей третьей стадии температуру огневого факела повышают до температуры 2000-2100°С.
Преимуществом способа является использование в нем высокотемпературной конверсии метана без применения специальных никелевых катализаторов. Недостатком способа является сложность его реализации и относительно невысокое содержание водорода в топливной смеси.
Каталитический метод применяют для ускорения реакции конверсии метана при низких температурах процесса. (Производство водорода из природного газа, machromol.kiev.ua/2012/08/proizvodstvodstvo-vodoroda-iz-prirodnogo-gaza/).
Известен метод высокотемпературной конверсии природного газа (метана) при давлении 2-3 МПа и температуре 1350°С, без применения в нем катализатора. (База знаний «Allbest». knowledge allbest.ru). Его недостатком является невысокое количество получаемого водорода.
2
n
2n+2
Известен способ получения водородсодержащего газа в турбогенераторной установке с применением высокотемпературный паровой конверсии углеводорода (Патент РФ №2269486). Турбогенераторная установка, в которой осуществляют способ получения водородсодержащего газа, содержит горелочную систему с тремя последовательно включенными ступенями, служащими для получения водородсодержащего газа. В первой ступени установки производят смешивание 70% HO (воды) и 30% топлива углеводородного ряда CH (дизельное топливо или мазут). Эту смесь нагревают от импульсного теплоисточника до 500°С и получают газопаровую смесь перегретого пара и углеводородного газа. В горелочную систему второй ступени подают эту газопаровую смесь и воздух, зажигают ее от импульсного источника, повышают температуру продуктов сгорания смеси до 1000°С и подают их в третью ступень горел очной системы, где производят дожигание газопаровой смеси с повышением ее температуры до 1300°С, при этом в продуктах сгорания, во второй и в третьей ступенях горелочной системы, в результате высокотемпературной паровой конверсии углерода увеличивается количество образующегося водорода с его последующим сгоранием.
Недостатком этого способа является использование в нем жидких топлив, а также сложностью конструкции установки для его реализации и низким давлением получаемого водородсодержащего газа. Эти факторы не позволяют применять этот способ в газотурбинных и парогазовых энергетических установках.
Известен способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси (Патент РФ №2639397), содержащей компрессор, охлаждаемую камеру сгорания, газовую турбину; теплоту продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, используют для выработки перегретого водяного пара высокого давления, его меньшую часть смешивают с природным газом, пропускают через первый адиабатический каталитический реактор, образовавшуюся в нем метаносодердащую парогазовую смесь нагревают последовательно теплом выхлопных газов газовой турбины, теплом охлаждения камеры сгорания и с температурой 620-680°С подают во второй каталитический реактор, в котором относительную долю водорода в метаносодержащей парогазовой смеси увеличивают выше 20%. Положительным качеством этого способа является экономия топлива получаемая за счет выработки водорода образующегося при паровой конверсии метана.
Этот способ выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.
Недостатком этого способа является наличие в установке для его реализации двух адибатических каталитических реакторов, которые увеличивают стоимость установки, а также получение при его реализации небольшого количества водорода.
Целью изобретения является повышение топливной экономичности газотурбинных установок и улучшения их экологичности за счет сжигания в камерах сгорания водородсодержащего газа.
Технический результат достигается тем, что в способе получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара, при котором, теплоту продуктов сгорания расширенных в газовой турбине используют для выработки перегретого водяного пара, смешивают его с природным газом, полученную парометановую смесь нагревают, используя теплоту уходящих газов газовой турбины и теплоту охлаждения камеры сгорания газотурбинной установки и подают парометановую смесь в адиабатический каталитический реактор, при чем его осуществляют в три этапа; на первом этапе перегретый пар высокого давления смешивают с природным газом при 2,5-3 МПа, при весовом соотношении пара и природного газа 7:1, полученную парометановую смесь нагревают до температуры 500-550°С теплом уходящих газов газовой турбины, подают в адиабатический каталитический реактор с никелевым катализатором, производят паровую каталитическую конверсию метана в адиабатическом никелевом катализаторе, используя при этом теплоту охлаждения форкамеры, с образованием в адиабатическом каталитическом реакторе с никелевым катализатором паро-метаново-водородной смеси, содержащей до 5% водорода; на втором этапе паро-метаново-водородную смесь и закрученный поток воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинной установки, подают в форкамеру, в горелку которой подают топливный газ, полученную при этом «богатую» топливно-воздушную смесь сжигают при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0.7, повышают температуру продуктов сгорания до 1300-1350°С и увеличивают в них долю водорода до 15-20% в результате происходящей при этом высокотемпературной паровой конверсии метана; на третьем этапе в камеру дожигания подают продукты сгорания из форкамеры и воздух, сжатый в компрессоре, с образованием в ней «бедной» топливно-воздушной смеси, которую сжигают в камере дожигания при коэффициенте избытка воздуха 1,5-2,5, температуру продуктов сгорания увеличивают до 1950-2000°С с повышением доли водорода в продуктах сгорания выше 20%, за счет высокотемпературной паровой конверсии метана, затем в эти продукты сгорания подают сжатый воздух и снижают температуру газа перед газовой турбиной до требуемой.
Предлагаемый способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара может быть реализован в устройстве, содержащем камеру сгорания, адиабатический каталитический реактор, газопровод топливного газа, трубопровод парометановой смеси, при чем камера сгорания снабжена форкамерой и камерой дожигания, дополнительно применены устройство управления, поворотные лопатки, полые завихривающие лопатки с отверстиями, регулирующий клапан, поворотные лопатки и регулирующий клапан связаны импульсными линиями с устройством управления; поворотные лопатки и полые завихривающие лопатки с отверстиями установлены перед форкамерой, в которой устанавлены горелка и импульсная свеча зажигания, форкамера снабжена охлаждающей рубашкой, содержащей никелевый катализатор, форкамера и камера дожигания установлены соосно с воздушным зазором между ними, вход камеры сгорания связан с компрессором, выход камеры сгорания соединен с газовой турбиной, вход охлаждающей рубашки форкамеры соединен с трубопроводом парометановой смеси, а ее выход с входом в форкамеру, газопровод топливного газа связан с горелкой через регулирующий клапан
Схема устройства для реализации способа получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара приведена на Фиг. 1. Здесь: 1 -камера сгорания, 2 -форкамера, 3 - камера дожигания, 4 - поворотные лопатки, 5 - полые завихривающие лопатки с отверстиями, 6 - охлаждающая рубашка, 7 - импульсная свеча зажигания, 8 - горелка, 9 - никелевый катализатор, 10 - устройство управления, 11 - регулирующий клапан, 12 - трубопровод парометановой смеси.
Камера сгорания 1 содержит форкамеру 2 с охлаждающей рубашкой 6, содержащей никелевый катализатор 9, импульсную свечу зажигания 7, горелку 8. На входе в форкамеру 2 установлены поворотные лопатки 4 для регулирования расхода воздуха и полые завихривающие лопатки с отверстиями 5 для выхода метаносодержащей парогазовой смеси, горелка 8, устройство управления 10, используемое для регулирования расхода природного газа в горелки 8 и расхода воздуха, подаваемого в форкамеру 2, связанное с поворотными лопатками 4 и регулирующим клапаном 11 на газопроводе природного газа.
Способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара осуществляют в три последовательных этапа. На первом этапе перегретый пар смешивают с природным газом при давлении 2,5-3 МПа и их весовом соотношении 7:1, полученную метанопаровую смесь нагревают теплом уходящих газов газовой турбины до температуры 500 -550°С и пропускают через никелевый катализатор, размещенный в рубашке охлаждения форкамеры, где производят паровую каталитическую конверсию метана с образованием в смеси 3-5% водорода. На втором этапе эту смесь смешивают с закрученным потоком воздуха и направляют в форкамеру, в ее горелку подают природный газ и воздух, сжатый в компрессоре газотурбинной установки, а полученную при этом «богатую» топливо-воздушную смесь сжигают в форкамере при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7 с повышением температуры продуктов сгорания до 1300-1350°С и с увеличением в них доли водорода до 15-20% за счет высокотемпературной паровой конверсии метана. На третьем этапе способа продукты сгорания, вышедшие из форкамеры, разбавляют сжатым воздухом и образовавшуюся при этом «бедную» топливно-воздушную смесь подают в камеру дожигания, где ее сжигают с повышением температуры продуктов сгорания до 1950-2000°С, затем в полученные продукты сгорания подают сжатый разбавляющий воздух и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной.
Предлагаемый способ позволяет увеличить содержание водорода в топливном газе газотурбинных установок и значительно улучшить их топливную экономичность, а также их экологичность за счет существенного снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах газовых турбин.