Устройство для получения водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и азота
DEVICE FOR PRODUCING HYDROGEN, CARBON MONOXIDE, CARBON DIOXIDE AND NITROGEN

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для получения водорода и азота, а также монооксида и диоксида углерода.
Из уровня техники известен способ получения водородсодержащего газа из углеводородного сырья, водяных паров, воздуха, который включает компримирование и очистку сырья от серы, паровую и паровоздушную католитическую конверсию метана, конверсию оксида углерода, очистку полученной азотоводородной смеси от кислородосодержащих соединений, использование неочищенного от соединений серы сырья в качестве топлива утилизацию тепла дымовых газов и выделение их в окружающую среду и отличается тем, часть сырья, прошедшего очистку от соединений серы, обжигают в смеси с компримированным воздухом, а полученные дымовые газы направляемого на паровоздушную каталитическую конверсию метана, подают на паровоздушную каталитическую конверсию метана [патент на изобретение RU 2196733 C1. МПК С01С 1/04, С01В 3/24. Заявка №2001113712/12 от  23.05.2001, опубл. 20.01.2003 в Бюл. № 2].
К недостаткам способа следует отнести:
- высокие капитальные затраты,
- большая металлоемкость,
- наличие катализаторов,
- низкая термодинамическая эффективность способа, связанная с затратами на компримирование воздуха,
- низкая степень конверсии метана,
- наличие дымовых газов.
Также известно изобретение, которое относится к способу получения метано-водородной смеси для производства водорода. Способ включает каталитическую конверсию природного газа в адиабатическом реакторе с подводом в него водяного пара, предварительно перегретого электрическим нагревателем, при этом ведут конверсию без подвода кислородосодержащих газов, поддерживая температуру на выходе из реактора на уровне не выше 700°С [патент на изобретение RU 2730829 C1. МПК С01В 3/38. Заявка №2020107757 от 20.02.2020, опубл. 26.08.2020 в Бюл. № 24].
Недостатки:
- применение катализатора,
4
- наличие метана СН, т.е. неполная конверсия – 30,6%,
- наличие большого количества диоксида углерода – 11,5%,
- применение электрического пароперегревателя.
Известен способ газификации угля в сильно перегретом водяном паре и устройство для его осуществления [патент на изобретение RU 2683751 C1. МПК С01В 3/38. Заявка №2018119172 от 24.05.2018, опубл. 01.04.2019 в Бюл. № 10]. Устройство, включающим систему подачи частиц угля и перегретого водяного пара в реактор газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, систему отвода продуктов газификации потребителю и систему удаления зольного остатка, в котором система подачи сильно перегретого водного пара выполнена в виде импульсно-детонационного паронагревателя, присоединенного тангенциально к входному патрубку вихревого реактора для газификации и конверсии продуктов газификации в синтез-газ, а система подачи угольных частиц как частиц углесодержащего материала выполнена в виде дозирующего устройства, обеспечивающего подачу частиц в импульсно-детонационный пароперегреватель до входного патрубка вихревого реактора.
Недостатки данного способа:
- слишком высокая температура перегретого пара 700-800°С, которую невозможно получить в парогенераторе, требует дополнительного нагрева,
- в связи с импульсно-детонационной подачей требует специальных сталей и увеличивает значительно количество металла на реактор,
- ненадежная система удаления расплавленного шлака,
- наличие диоксида углерода.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении производительности получения водорода за счет полного использования всего объема природного газа, быстрого сухого разложения органического сырья и отсутствии выхлопных газов.
Технический результат достигается тем, что устройство, включающее измельчитель, дозатор, бункер, вертикально установленную термическую печь с газовыми горелками с центробежным вентилятором воздуха с направленными факелами, шлюзовым питателем и рассекателем топлива для подачи природного газа на конверсию, газификатор с топливником и конусной решеткой для кипящего слоя факела, вентилятор с дроссельной заслонкой для подачи пара на решетку, кольцевую щель, камеру разделения газа и золы с герметичным зольником и шнековым конвейером, теплообменник для снижения температуры газов, промежуточную газовую камеру для подачи газов через плотную дроссельную заслонку, компрессор, циклонную вихревую камеру, отличается тем, что в конструкцию дополнительно содержит паровую рубашку и теплоизолирующую стенку, мембранный разделитель I ступени для отделение оксида углерода с газгольдером, мембранный разделитель II ступени для отделения азота с газгольдером, блок очистки водорода с газгольдером, дизель-генератор  - блочную электростанцию для собственных нужд установки, питаемую из соответствующего газгольдера монооксидом углерода и раздаточную станцию для потребителей газа.
3
2
2
На чертеже (см. Фигуру) показано предлагаемое техническое решение, где 1 - измельчитель твердого топлива, позицией 2 - дозатор мела (СаСО), позицией 3 - бункер твердого сырья, 4 - шлюзовый питатель, 5 - рассекатель с подачей природного газа, 6 - теплоизолирующая стенка на основе смолы ФРВ и катализатора ВАГ-3, 7 - паровая рубашка, 8 - газовые горелки, 9 - циклонная камера, 10 - промежуточная камера, 11 - теплообменник, 12 - газификатор, 13 - конусная решетка первичного пара, 14 - топливник, 15 - расширительная камера, 16 - зольник, 17 - шнековый конвейер, 18 - плотная дроссельная заслонка, регулирующая поток синтез-газа, поступающего на компрессор, 19 - плотная дроссельная заслонка, регулирующая подачу пара, 20 - вентилятор подачи пара, 21 - компрессор, 22 - I ступень мембранного разделителя газов, 23 - II ступень мембранного разделителя газов, 24 - блок очистки водорода, 25 - компрессоры для перевода газов в жидкое состояние, 26 - газгольдер Н, 27 - газгольдер N, 28 - газгольдер угарного газа СО, 29 - дизель-генераторы - блочная электростанция, 30 - вентилятор горячего воздуха на горелки, 31 - дроссельная заслонка.
3
2
2
2
4
2
4
2
2
2
4
2
4
n
n+1
2
2
2
2
2
2
2
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Основой установки является вихревая циклонная камера 9, работающая на газовых горелках 8 с высокой температурой и подачей в камеру природного газа, через рассекатель 5 и твердого углеродистого сырья через шлюзовый питатель 4 из бункера 3 с добавлением СаСО дозатором 2 измельченного сырья в измельчителе 1. Температура факела горелок поддерживает температуру 1200-1300°С в камере 9. За счет этого происходит быстрое разложение сырья с образованием СО, СО, Н, НS, CH, CH, паров HO и технического угля С. При горении газа в горелках образуются газы: углекислый газ СО, азот N и пары воды. За счет температуры выше 1200°С с парами воды происходит быстрое конвертирование метана CH, этилена СН и более высоких водородистых соединений СН. Сероводород вступает в реакцию с карбидом кальция образует минерал CaS и угольную кислоту, легко распадающуюся при высокой температуре на воду и углекислоту. При работе газификатора 12 при образовании технического углерода включается вентилятор 20 и открывается дроссельная заслонка 19. На раскаленном углероде (техническом угле) при температуре свыше 900-1000°С проходят следующие реакции: С+СО=2СО; С+НО=СО+Н. Пары воды из рубашки 7 парообразователя подаются через вентилятор 20, дроссельную заслонку 19 на конусную решетку 13 постоянно из расчета полного сгорания углерода, образованного при сухом разложении твердого углеводородного сырья. Процессы конвертации продуктов природного газа и сгорании углерода должны быть рассчитаны так, чтобы они прошли при полете частиц в завихренном потоке шахты циклонной камеры газификатора 12 во встречном потоке пара. На выходе через кольцевую щель газификатора в расширительной камере 15 будем иметь три газа: водород Н, азот N и монооксид углерода СО, а также золу, минерал CaS. При снижении скорости зола и сернистый кальций выпадут в зольник 16, которые периодически будут выгружаться шнековым контейнером 17. Перечисленные газы за счет разряжения с температурой порядка 900°С поступят в трубы теплообменника 11, в котором в межтрубном пространстве будет нагреваться воздух на горелки, охлаждая газ до 50°С.Безводный газ компрессором 21 направляется на первую ступень мембранного разделителя 22, где отделяется монооксид углерода СО в газгольдер 28. Оставшиеся газы поступят на вторую ступень мембранного разделителя 23, который отделит азот N и направит в газгольдер 27. Оставшиеся газы в случае загрязнения с водородом Н поступают на блок 24 и чистый водород (около 99%) поступает в газгольдер 26.
3
2
Часть угарного газа с теплотворной способностью 24600 кДж/м направится на выработку электроэнергии в дизель-генераторах 29, имеющих высокий КПД - больше 70%. Выхлопные газы, содержащие углекислый газ, нейтрализуются индивидуальными катализаторами. Водород реализуется для заправки транспорта. Монооксид углерода СО используется для выработки карбоновых кислот, органических спиртов, эфиров и формальдегидов по принципу Фишера-Тропша. Азот N реализуется в химической промышленности для получения азотных кислот, аммиака и удобрений.
Таким образом, преимущества предлагаемого изобретения заключаются в следующем:
- отсутствие сложной схемы очистки природного газа от серы;
- отсутствие дорогостоящих катализаторов;
- одноступенчатая схема получения синтез-газов конверсии метана и горения углерода и других высоко органических включений в природном газе в одном аппарате; полное отсутствие углекислого газа и паров воды в синтез газе, что значительно упрощает получение товарных газов: водорода, угарного газа и азота;
- получение электроэнергии для собственных нужд резко снижает себестоимость продукции;
- экологически чистое производство исключает выбросы через дымовые трубы;
- установка позволяет получать дешевый водород и другие ценные продукты;
- за счет применения высоко температурного сухого разложения мелких частиц сырья резко снижается металлоёмкость конструкции;
- полное использование сгоревшего углерода, подаваемого для нагрева природного газа и твердого сырья при конверсии и сухом разложении.