СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭНЕРГИИ В АНАЭРОБНОЙ СИСТЕМЕ
METHOD OF ENERGY GENERATION IN ANAEROBIC SYSTEM

Изобретение относится к способам преобразования энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую) преимущественно к транспортным энергетическим установкам и системам энергообеспечения на их основе и предназначено для транспортных средств, снабженных электро- или гибридным приводом. Изобретение относится преимущественно к области энергетики, в частности анаэробной энергетики, и может быть использовано в воздухонезависимых энергоустановках (ЭУ) с тепловыми двигателями и электрохимическими генераторами.
Известны способы преобразования тепловой энергии газообразного топлива (природный или синтез-газ, водород) в механическую (электрическую), в том числе в транспортных энергоустановках, преобразующих первичную энергию в электрическую, которая запасается в электроаккумуляторах и затем по необходимости служит приводом движителя транспортных средств. В то же время современные тенденции развития подводного флота свидетельствуют о необходимости оснащения неатомных подводных лодок (НАПЛ) воздухонезависимыми (анаэробными) вспомогательными энергетическими установками, в первую очередь с использованием в них электрохимических генераторов и высокоэффективных тепловых двигателей, в частности двигателей Стирлинга. Такие энергоустановки могут применяться для всех типов НАПЛ - малого, среднего и большого водоизмещения, а также для большинства типов подводных аппаратов, использование которых возможно в интересах геологоразведки, освоения континентального шельфа, экомониторинга, ликвидации последствий аварий на море и т.д. Таким образом, возникает задача создания способов преобразования энергии, энергоаккумулирующих установок и систем, способных обеспечивать высокую эффективность генерации энергии в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме вне зависимости от графика выработки первичной энергии и, в первую очередь, при переключении энергоустановки в анаэробной системе для работы без связи с атмосферой.
В частности, предложен способ генерации энергии в энергоустановке, которая содержит двигатель Стирлинга, магистраль забортной воды, связанную с контуром охлаждения двигателя через аккумулятор холода, емкости с криогенным горючим и криогенным кислородом, экономайзер, холодильный блок, через который проходит контур охлаждения двигателя. Установка снабжена теплообменником-ожижителем остаточного кислорода в отработанных газах, адсорбером для вымораживания CO2 и H2O, расположенным на магистралях горючего и окислителя, а также теплообменником-охладителем отработанных газов, через который проходит магистраль с забортной водой. Линия отработанных газов в анаэробной системе последовательно проходит через экономайзер, теплообменник-охладитель отработанных газов, адсорбер и теплообменник-ожижитель остаточного кислорода, а в качестве криогенного горючего используется сжиженный природный газ (патент РФ на изобретение №2187680, дата публикации 20.08.2002). Недостатком данного способа и устройства является низкая эффективность установки, а также большие габариты, связанные с низким давлением отработанных газов.
Известен также способ производства электрической энергии из природного газа, с использованием топливного элемента на твердом оксиде, содержащий стадии электрохимического окисления природного газа, прошедшего предварительное расширение в газовой турбине, и нагрев природного газа выходящим из топливного элемента потоком (патент РФ №2199172, оп. 20.02.2003, заявка РФ на изобретение №2000107827, дата публикации 2002.01.20). Недостатком данного способа и устройства является низкая температура на входе в турбину, что снижает КПД.
Частично указанные недостатки преодолены в способе и устройстве генерации энергии в анаэробной системе, в котором применяется система ожижения двуокиси углерода из смеси отводимых газов, отработавших в анаэробной (воздухонезависимой) энергоустановке на углеводородном горючем, содержащая компрессор газоотбора, влагоотделитель, распределительный трубопровод смеси отводимых газов, секции конденсатора двуокиси углерода, параллельно соединенные с распределительным трубопроводом смеси отводимых газов и имеющие патрубок входа и патрубок выхода охлаждающего кислорода, испаритель жидкого кислорода с патрубком выхода газифицированного кислорода, сепаратор неожиженных газов и сборник жидкой двуокиси углерода, охладитель смеси отводимых газов с одним или двумя патрубками входа газообразного кислорода (патент РФ на изобретение №2352876, дата публикации 20.04.2009). Недостатком данного решения является низкая надежность и эффективность генерации энергии, что связано с увеличенными затратами топлива, а также относительно низким КПД в переходных режимах работы, связанных с низкой скоростью разогрева/охлаждения конденсатора, ограниченной термостойкостью трубчатки.
Одним из решений этой проблемы может стать использование основного топлива в режиме доступа атмосферы и дополнительного топлива - водорода при работе без связи с атмосферой. Известен способ и устройство генерации энергии в анаэробной системе, в котором применяется контур газообразного окислителя - кислорода, контур газообразного азота, контур газообразного водорода с реактором генерации водорода и контур технической воды. Дизельная установка дополнительно снабжена каталитическим нейтрализатором, теплообменником - подогревателем и реактором с химическим поглотителем (патент РФ на изобретение №2171956, дата публикации 10.08.2001 - прототип). Использование изобретения позволит повысить КПД дизеля, снизить затраты на хранение окислителя, получать дополнительную полезную энергию. Недостатки данного решения: низкие динамические и маневренные возможности генерации энергии, высокий расход топлива, потери, связанные с расширением продуктов сгорания, потери надежности работы системы в связи с ее усложнением.
Задача изобретения - создать способ генерации энергии в анаэробной системе, в котором повысить динамические и маневренные возможности генерации энергии, снизить расход топлива, уменьшить потери, связанные с расширением продуктов сгорания, повысить надежность работы системы за счет дополнительных возможностей регулирования температурных и мощностных режимов вне зависимости от режима доступа атмосферы, улучшить экономические показатели энергоустановок и системы в целом.
Энергоустановка в анаэробной системе может состоять из теплового двигателя, например дизельного или двигателя Стирлинга, а также из газовой турбины с предвключенной камерой сгорания. Кроме того, энергоустановка может состоять из электрохимического генератора - топливного элемента. Помимо энергоустановки как устройства преобразования химической энергии топлива в электрическую в состав анаэробной системы входят системы хранения, подачи и подготовки топлива и окислителя, системы вывода из продуктов реакции топлива с окислителем неконденсирующихся газов, конденсаторы и емкости хранения сжиженных или адсорбированных газов, другие системы, включая систему охлаждения узлов и агрегатов.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ генерации энергии в анаэробной системе, включающий реакцию водорода и кислорода в энергоустановке, в котором тепловую энергию используют для регенерации сорбента, поглощающего диоксид углерода, который сжижают и направляют в емкость хранения, углеводородное топливо смешивают с кислородом, проводят реакцию паровой кислородной конверсии, из продуктов которой выделяют водород, после чего продукты конверсии охлаждают, отделяют от конденсата воды, а затем отделяют путем сорбции в сорбент от диоксида углерода и направляют на смешение с углеводородным топливом.
Кроме того:
- по меньшей мере, часть кислорода и водород направляют на вход в энергоустановку, выполненную в виде теплового двигателя или топливного элемента, а выходящий из него поток направляют на смешение с углеводородным топливом;
- углеводородное топливо и кислород хранят в жидком виде, а газификацию кислорода проводят за счет теплообмена с хладагентом, в качестве которого используют фреон или жидкую углекислоту или азот или гелий;
- углеводородное топливо выбирают из ряда, содержащего природный газ, дизельное топливо, углеводороды, метанол, этиловый спирт или их смеси;
- регулируют подачу водорода и кислорода в энергоустановку в зависимости от потребности в энергии или режима работы анаэробной системы;
- реакцию паровой кислородной конверсии углеводородного топлива проводят в реакторе, заполненном катализатором, выбранным из ряда никель, рутений, родий, палладий, иридий, нанесенных на огнеупорные оксиды такие, как кордиерит, муллит, оксид хрома, титанат алюминия, шпинели, диоксид циркония и оксид алюминия;
- для регенерации сорбента, поглощающего диоксид углерода, используют тепло, отводимое при охлаждении продуктов конверсии за счет нагрева теплоносителя, в качестве которого используют водяной пар или азот или гелий;
- выделение водорода из продуктов конверсии ведут в мембранном отделителе на металлической или полимерной тонкостенной мембране.
Примером реализации изобретения служит способ генерации энергии, описанный ниже.
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве углеводородного топлива применяется природный газ, в качестве сорбента - цеолит, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам парокислородного окисления природного газа в сочетании с получением водяного пара в процессе реакции водорода и кислорода в энергоустановке, включающей газовую турбину с предвключенной камерой сгорания в качестве теплового двигателя для применения в анаэробной системе с ожижением диоксида углерода.
На фигуре дано схемное решение предложенного способа генерации энергии, где 1 - криогенный бак, 2 - сжиженный природный газ; 3 - газификатор метана, 4 - эжектор, 5 - водяной пар; 6 - смеситель; 7 - емкость жидкого кислорода; 8 - жидкий кислород; 9 - газификатор кислорода; 10 - окисленный газ; 11 - реактор, 12 - водородсодержащий газ, 13 - отделитель водорода, 14 - водород, 15 - камера сгорания; 16 - кислород; 17 - водяной пар высокого давления, 18 - газовая турбина, 19 - электрогенератор, 20 - диоксид углерода, 21 - теплообменник, 22 - теплоноситель, 23 - конденсатор, 24 - водяной конденсат, 25 - узел выделения диоксида углерода, 26 - сбросной газ, 27 - ожижитель, 28 - хладагент; 29 - жидкая углекислота, 30 - емкость диоксида углерода.
Способ осуществляется следующим образом.
Из криогенного бака 1 поток сжиженного природного газа 2 подают в газификатор метана 3, откуда метан подают в эжектор 4, где смешивают с потоком водяного пара 5, а затем в смесителе 6 с кислородом 8, который подают из емкости жидкого кислорода 7 через газификатор кислорода 9. Полученную реакционную парогазовую смесь в виде окисленного газа 10 подают в адиабатический реактор конверсии 11, в котором на катализаторной насадке проводят конверсию парогазовой смеси с образованием нагретого водородсодержащего газа 12, который подают в отделитель водорода 13, из которого водород 14 направляют в энергоустановку, преобразующую химическую энергию водорода в электроэнергию. В энергоустановке водород направляют в камеру сгорания 15, где при реакции с кислородом 16 получают водяной пар высокого давления 17, подаваемый в газовую турбину 18, вращающую электрогенератор 19.
Обедненный водородом поток водородсодержащего газа 12 потом могут направить на каталитическую конверсию монооксида углерода (не показано) с получением влажного диоксида углерода 20, который охлаждают в теплообменнике 21 с помощью теплоносителя 22, а затем в конденсаторе 23 выводят из потока водяной конденсат 24 и направляют поток в узел выделения диоксида углерода 25, из которого выводят сбросной газ 26 и диоксид углерода, направляемый в ожижитель 27, в котором с помощью хладагента 28 получают жидкую углекислоту 29, направляемую в емкость диоксида углерода 30.
Сбросной газ 26 направляют для смешения в смесителе 6 с кислородом 8 и с парометановой смесью, выходящей из эжектора 4.
В реакторе 11 реакцию ведут в зернистом слое в присутствии катализатора окисления, выбранного из ряда никель, рутений, родий, палладий, иридий, нанесенных на огнеупорные оксиды такие, как кордиерит, муллит, оксид хрома, титанат алюминия, шпинели, диоксид циркония и оксид алюминия. В качестве катализатора адиабатического реактора конверсии 11 предпочтительно использовать никелевый катализатор типа НИАП-03-01 или катализаторы марки KATALCO 25-4Q и KATALCO 57-4Q компании Johnson Matthey.
2
3
2
Из потока водородсодержащего газа 12 в отделителе водорода 13 выделяют чистый водород (более 99.9%), например, путем диффузии через палладиевую мембрану при давлении 1-5 МПа и температуре 773-900 K. Так как Pd является дорогостоящим материалом и его водородопроницаемость обычно обратно пропорциональна толщине пленки, то мембраны, произведенные методом холодной прокатки, имеют минимальную толщину 25-30 мкм, что достаточно для пропускания необходимого количества водорода. Нанесением пленок на керамические подложки можно снизить толщину мембраны до 5-15 мкм, при которых скорость проницаемости H пропорциональна его парциальному давлению в степени 0,627-0,688, что выше прогнозируемого на основании закона Сиверта (0.5). Производительность таких мембран в среде конвертированного метана в отделителе водорода 13 при температуре 500°C и давлении 0.8 МПа составляет, 16 нм/м·ч водорода чистотой 99.9% /Int. J. of Hydrogen Energy, Volume 34, Issue 10, May 2009, Pages 4482-4487/.
При расширении в газовой турбине 18 водяной пар высокого давления 17 превращается в водяной пар низкого давления 5, который направляют в эжектор 4, в котором давление водяного пара низкого давления повышается за счет подачи в эжектор 4 потока метана высокого давления из газификатора метана 3. Для повышения давления метана 2 в тракте может быть использован криогенный насос (не показан).
Газификатор метана 3 может быть совмещен с эжектором 4, поскольку массовые расходы водяного пара низкого давления 5 и метана 2 практически равны, что позволяет при эжекции одновременно испарить метан с образованием парометановой смеси.
Подаваемый также в камеру сгорания 15 кислород 16, который подают из емкости кислорода 7, также может пройти через насос с целью повышения давления.
На выходе из эжектора 4 парометановая смесь имеет следующий состав:
Таблица
Состав парометановой смеси на входе в смеситель 6 (исходное сырье, мольное отношение CH4:O2=1:0.6)
вещество
влажный газ, %
сухой газ, %
CO2
0.08021
0.30000
N2
0.22995
0.86000
H2O
73.26203
0.00000
CH4
26.42781
98.84000
На выходе из реактора 11 объемный расход водорода в 2.2-2.5 раз превышает исходный объем метана, что создает возможность эффективного мембранного разделения потока водородсодержащего газа 12 в отделителе водорода 13, как описано выше.
На выходе из реактора 11, соответственно, поддерживают температуру в диапазоне ориентировочно от 500°C до 800°C, что обеспечивает высокую производительность разделения потока водородсодержащего газа 12 в отделителе водорода 13.
Давление потоков выбирают в диапазоне ориентировочно от 0.1 до 9.0 МПа, что позволяет уменьшить размеры аппаратов, снизить газодинамические потери и затраты на компримирование.
Из обедненного водородом потока водородсодержащего газа 12 из конденсатора 23 выводят водяной конденсат 24 и направляют поток в узел выделения диоксида углерода 25, из которого выводят сбросной газ 26 и диоксид углерода, направляемый в ожижитель 27, в котором с помощью хладагента 28 получают жидкую углекислоту 29, направляемую в емкость диоксида углерода 30.
Диоксид углерода могут выделять в узле выделения диоксида углерода 25 с помощью, например, короткоцикловой адсорбции или отмывки в растворах. Задачи извлечения и концентрирования диоксида углерода в циклах крупнотоннажной химии и газоперерабатывающих производств успешно решаются с помощью адсорбционных установок. В частности, могут использоваться сорбенты, указанные в Европатенте №2397212, опубл. 2014-08-26, в том числе жидкие амины, такой как моноэтаноламин МЭА, ионообменная смола или твердый амин, а также цеолит для связывания летучих органических соединений или диоксида углерода. Все эти процессы позволяют выделить диоксид углерода в узле выделения диоксида углерода 25 при минимальном падении давления в процессе разделения, что снижает затраты энергии на дальнейшее сжижение диоксида углерода в ожижителе 27.
Поскольку в данном способе нет необходимости сбрасывать за пределы системы сбросные газы, анаэробная установка получает дополнительные качества скрытности.
Для регенерации сорбента в узле выделения диоксида углерода 25 подводят тепловую энергию с помощью теплоносителя 22, нагреваемого в теплообменнике 21 при охлаждении в нем потока водородсодержащего газа 12. В качестве теплоносителя 22 используют водяной пар, или азот, или гелий.
Коррекцию температуры и состава газов в реакторе 11 могут проводить путем изменения расхода парогазовой смеси и кислорода в смесителе 6 и соотношения этих компонентов.
Водород 14 в камере сгорания 15 реагирует с кислородом 16, при этом получают водяной пар высокого давления 17, подаваемый в газовую турбину 18, вращающую электрогенератор 19. Процесс сгорания может происходить как избытком водорода 14, так и при избытке кислорода 16. Поскольку в газовой турбине 18 отсутствует компрессор, вся энергия расширения водяного пара высокого давления 17 передается электрогенератору 19. Относительно невысокая степень расширения водяного пара высокого давления 17 в газовой турбине 18 (до 5-10) позволяет уменьшить размеры газовой турбины 18, в том числе за счет высоких оборотов.
При использовании в качестве энергоустановки топливного элемента (вместо камеры сгорания 15 и газовой турбины 18) давление водорода 14 и кислорода 16 может быть выбрано более низким (до 0.2-0.5 МПа) при сохранении высокой эффективности производства электроэнергии.
Поток водорода 14 может запасаться в гидридах или газгольдерах (не показаны) для выравнивания работы электрической сети системы, например, в периоды провала ее нагрузки.
Таким образом, в предложенном изобретении удалось снизить капитальные затраты и металлоемкость анаэробной системы, повысить коэффициент конверсии метана и термодинамическую эффективность способа, снизить объемы хранения сжиженных газов в системе. Также удалось повысить динамические и маневренные возможности генерации энергии, снизить расход топлива, уменьшить потери, связанные с расширением продуктов сгорания, повысить надежность работы системы за счет дополнительных возможностей регулирования температурных и мощностных режимов вне зависимости от режима доступа атмосферы, улучшить экономические показатели энергоустановок и системы в целом.