СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD OF SOLAR ENERGY CONVERSION

Изобретение относится к способу преобразования солнечной энергии и может быть использовано в химической промышленности, для переработки углеводородов, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии, в системах производства топлива для транспорта и в стационарных энергоустановках.
Известны способы преобразования солнечной энергии в электрическую:
- фотогальванический, в котором используются фотоэлементы, поглощающие прямое солнечное излучение,
- термоэлектрический, в котором используется солнечный коллектор, имеющий зеркальную поверхность, отражающую солнечное излучение на ресивер, в котором нагревают рабочее тело, например пар, для получения электричества в паровой турбине.
В частности, известен способ, описанный в патенте РФ №2440539, дата публ. 20.01.2012, в котором в барогальваническом электрогенераторе с электрической регенерацией рабочего тела, состоящем из токогенерирующей ячейки, компрессорной ячейки и регенеративного теплообменника, образующих замкнутый герметичный контур, включающий подвод к токогенерирующей ячейке тепловой энергии солнечного излучения и/или сжигаемого биогаза, ионизацию и рекомбинацию рабочего тела на границах электролита и газопроницаемых электродов в полостях высокого и низкого давлений токогенерерующей ячейки с выработкой ею электроэнергии; изобарическое охлаждение пара низкого давления рабочего тела в регенеративном теплообменнике; сжатие пара низкого давления рабочего тела в компрессионной ячейке за счет части электрической энергии, выработанной токогенерерующей ячейкой, сопровождающееся отводом от нее тепла, используемого на нужды теплоснабжения малоэтажного здания, ионизацию и рекомбинацию рабочего тела на границах электролита и газопроницаемых электродов в полостях высокого и низкого давлений компрессорной ячейки; изобарический нагрев рабочего тела высокого давления в регенеративном теплообменнике и поступление его в полость высокого давления токогенерерующей ячейки, при этом в полостях высокого давления обеих ячеек и регенеративного теплообменника используют рабочее тело в жидкой фазе, например жидкий йод, а рабочее тело в жидкой фазе в полости высокого давления токогенерирующей ячейки доводят до перегретого состояния, например до перегретого жидкого йода. Недостатком описанного способа служит необходимость создания компрессоров высокого давления для работы в высокоагрессивных средах.
2
Также известен способ преобразования солнечной энергии путем получения из метана эффективных энергоносителей: водорода и синтез-газа (H/CO), описанный в патенте РФ №2042421, дата публ. 27.08.1995 (прототип), который включает проведение эндотермических реакций в каталитическом реакторе, содержащем размещенные в корпусе с изоляцией теплообменник, трубопровод подачи воды, испаритель и конверторные элементы, которые образованы двумя вставленными одна в другую трубками разного диаметра, пространство между которыми заполнено катализатором, причем один из концов внешней трубки имеет заглушку, а внутренняя трубка служит одновременно противоточным теплообменником для реакционной смеси. Технический результат: способ позволяет интенсифицировать процесс конверсии метана путем более равномерного прогрева катализатора излучением и лучшего перемешивания и подогрева смеси на входе в конверторный элемент. Способ позволяет производить в качестве энергоносителя синтез-газ, который можно использовать для дальнейших процессов синтеза спиртов, диметилового эфира, аммиака или других крупнотоннажных химических продуктов. В то же время описанный способ обладает рядом недостатков, к которым можно отнести функциональные и экономические ограничения применения способа, связанные с необходимостью размещения каталитического реактора конверсии природного газа в зоне концентрации солнечного потока, что затрудняет теплоподвод к потоку реакционной смеси, а также снижение эффективности и производительности поставки энергоносителей в период снижения потока солнечной энергии в ночные часы и при увеличении облачности. Кроме того, такой процесс требует больших энергетических и капитальных затрат. Серьезной проблемой также является разделение конечных продуктов, резко снижающее эффективность способа, а также необходимость подвода к процессу метана. Кроме того, технологический процесс не допускает получения помимо синтез-газа производства других энергоносителей (водяного пара или воды, электроэнергии).
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать новый способ преобразования солнечной энергии, позволяющий снизить тепловые затраты на процесс получения энергоносителей, а также эффективно поставлять различные энергоносители в условиях отсутствия источников метана, а также в период снижения потока солнечной энергии в ночные часы и при увеличении облачности.
Поставленная задача решается тем, что предложен способ преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее в продуктах парогазовой конверсии углеводорода, в котором с использованием концентратора солнечной энергии проводят реакцию паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода, отличающийся тем, что в концентраторе солнечной энергии проводят раздельно одновременный ступенчатый нагрев водяного пара и его смеси с метаносодержащим газом, который направляют затем на реакцию паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа в секционированный каталитический реактор, размещенный вне концентратора солнечной энергии, уменьшают расход водяного пара и его смеси с метаносодержащим газом по мере снижения потока солнечной энергии.
Кроме того:
- продукты реакции, содержащие водород и диоксид углерода, запасают при повышенном давлении, а затем направляют для получения синтез-газа и кислорода в высокотемпературном электрохимическом процессе, после чего из синтез-газа на катализаторе получают метаносодержащий газ, который возвращают в начало процесса на конверсию.
- Продукты реакции, содержащие водород и диоксид углерода, направляют на синтез метана, который проводят при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора на основе металлов, выбранных из группы никель, родий, платина, иридий, палладий, железо, кобальт, рений, рутений, медь, цинк, железо, их смеси или соединения, с отводом выделяющейся при синтезе метана тепловой энергии за счет нагрева теплоносителя.
- Реакцию паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа ведут без подвода тепловой энергии при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора на основе металлов, выбранных из группы никель, родий, платина, иридий, палладий, их смеси или соединения.
14
- В концентраторе солнечной энергии нагрев водяного пара в смеси с метаносодержащим газом перед реакцией паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа ведут до температур 450-880°С через герметичные теплообменные поверхности, по крайней мере, часть которых пропускает солнечное излучение частотой более 8·10 Гц.
- Давление конверсии метаносодержащего газа выбирают в диапазоне от 0.1 до 7.0 МПа.
- Проводят отделение части водорода от остальных продуктов реакции за счет адсорбции или мембранного разделения газов.
- Путем регенеративного теплообмена изменяют температуру водяного пара в смеси с метаносодержащим газом на входе паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа.
На чертеже дана схема реализации способа, где 1 - поток солнечной энергии, 2 - концентратор солнечной энергии, 3 - нагреватель смеси водяного пара с метаносодержащим газом, 4 - смесь водяного пара с метаносодержащим газом, 5 - парогазовый поток, 6 - аппарат регенеративного теплообмена, 7 - секционированный каталитический реактор, 8 - газохранилище, 9 - поток метаносодержащего газа, 10 - реактор синтеза метаносодержащего газа, 11 - синтез-газ, 12 - высокотемпературный электрохимический конвертер, 13 - кислород, 14 - поток синтез-газа, 15 - отделитель водорода, 16 - водород.
Примером реализации изобретения служит способ преобразования солнечной энергии, описанный ниже.
2
2
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве метаносодержащего газа применяется метан, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам синтеза метана 9 из синтез-газа 11 в реакторе синтеза метаносодержащего газа 10, хотя при реализации способа важным признаком является именно применение метаносодержащего газа 9 с составом, который установится после процесса синтеза в реакторе синтеза метаносодержащего газа 10, в который подают синтез-газ 11, полученный в высокотемпературном электрохимическом конвертере 10. При этом помимо метана в метаносодержащем газе 9 могут присутствовать также в заметных количествах CO (1-4%), CO (1-8%), H (1-8%) и водяные пары, не удаленные при конденсации.
Совокупность реакций, происходящих при реализации изобретения, изложена ниже:
Поток солнечной энергии 1 направляют в концентратор солнечной энергии 2, в котором поток солнечной энергии 1 фокусируют на нагревателе водяного пара и его смеси с метаносодержащим газом 3, в который подают смесь водяного пара и метана 9 при соотношении пар/газ, например, равном 2.0-3.0, с давлением выше 4.0 МПа и ступенчато подогревают смесь водяного пара с метаносодержащим газом 9 до температуры в диапазоне 650°С-880°С. Нагретый парогазовый поток 5 направляют в аппарат регенеративного теплообмена 6, а затем в секционированный каталитический реактор 7, заполненный насадкой катализатора, в качестве которого, например, предпочтительно использовать никелевый катализатор типа ГИАП-16. Могут также применяться и катализаторы на основе других активных металлов, выбранных из группы родий, платина, иридий, палладий, железо, кобальт, рений, рутений, медь, цинк, железо, их смеси или соединения. Давление конверсии метаносодержащего газа в секционированном каталитическом реакторе 7 выбирают в диапазоне от 0.1 до 7.0 МПа. Степень конверсии метана по реакции (1) увеличивается при уменьшении давления, с ростом отношения пар/газ и температуры нагрева, однако нагрев ограничен стойкостью соответствующих герметичных поверхностей нагревателя 3. С другой стороны, возможности нагрева смеси водяного пара с метаносодержащим газом 4 в концентраторе солнечной энергии 2 также могут ограничивать его температуры, однако ниже температуры 650°С степень конверсии метана 4 оказывается слишком низкой. Повышение давления конверсии метана снижает затраты на последующие стадии процесса, в частности затраты энергии на компрессию и степень синтеза метана в реакторе синтеза метаносодержащего газа 10 и объемы газохранилища 8, однако свыше давления 7.0 МПа все перечисленные эффекты становятся пренебрежимо малы в сравнении с падением степени конверсии метана при увеличении давления.
В секционированном каталитическом реакторе 7 производят реакцию (1) конверсии метана 4, после чего из потока 14 частично удаляют водяной пар, возвращаемый в процесс, и, в соответствии с суммарной реакцией, - продукционный водород 16, выделяемый за счет адсорбции или мембранного разделения газов в отделителе 15. Учитывая переменный характер теплового режима в период снижения потока солнечной энергии 1 в ночные часы и при увеличении облачности, целесообразно поддерживать устойчивость степени конверсии метана 4 за счет применения секционированности каталитического реактора и уменьшения расхода смеси водяного пара с метаносодержащим газом по мере снижения потока солнечной энергии 1. Такой режим позволит поддерживать температуру реакции (1) конверсии метана 4 в диапазоне 650°С-880°С, которая обеспечит высокую степень конверсии метана 4 на уровне 0.6-0.8 в зависимости от давления процесса. Целесообразно также секционировать каталитический реактор 7 как на параллельные, так и последовательные секции, что позволит изменять условия работы катализатора и подавать смесь водяного пара с метаносодержащим газом 4 в различные зоны по температуре и составу катализатора.
С этой же целью целесообразно путем применения аппарата регенеративного теплообмена 6 изменять температуры смеси водяного пара с метаносодержащим газом 15 на входе паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа. Аппарат регенеративного теплообмена 5 может быть установлен и после каталитического реактора 7 в варианте нагрева смеси водяного пара с метаносодержащим газом 4 в нагревателе 3 до температуры реакции (1) конверсии метана 4 в диапазоне 650°С-880°С.
14
14
14
В концентраторе солнечной энергии 2 могут использоваться параболоидные зеркала, которые позволяют получать температуры до 3600°С. Для увеличения плотности потока солнечной энергии 1 в нагревателе водяного пара и его смеси с метаносодержащим газом 3 целесообразно размещать секционированный каталитический реактор вне концентратора солнечной энергии, уменьшая поверхность затемнения нагревателя 3. Учитывая эффективность использования ультрафиолетового излучения в проведении реакции конверсии метана в нагревателе водяного пара и его смеси с метаносодержащим газом 3, по крайней мере, часть герметичных теплообменных поверхностей следует выполнить с возможностью пропускания солнечного излучения частотой более 8·10 Гц. Солнечное излучение частотой более 8·10 Гц содержит фотоны необходимой энергии. Для диссоциации одной молекулы воды необходима энергия около 3 эВ. Если процесс диссоциации производится под действием солнечной радиации, то длина волны световых фотонов должна быть меньше 0,4 мкм с частотой более 8·10 Гц, доля которых в спектре солнечного излучения на уровне моря составляет около 3%. Для ближнего ультрафиолета (УФ-А или UVA) с длиной волны световых фотонов: 400 нм-315 нм с энергией: 3.10-3.94 эВ свойствами пропускания солнечного излучения обладает, например, стекло кварцевое оптическое (например, типа КУ-1, КУ-2, КУВИ), прозрачное в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, без полос поглощения в интервале длин волн 170-250 нм, с полосами поглощения в интервалах длин волн 2100-2300 нм и 2600-2800 нм, нелюминесцирующее, радиационно-оптически устойчивое и обладающее высокими механическими свойствами. Ближний ультрафиолет солнечной радиации позволит за счет фотохимических реакций конверсии метана в нагревателе водяного пара и его смеси с метаносодержащим газом 3 снизить затраты тепловой энергии.
В свою очередь остальные продукты реакции после отделения водорода 16 и частично водяного пара низкого давления направляют для электролиза в высокотемпературном электрохимическом конвертере 12, в котором при подводе электрической энергии осуществляют подачу продуктов реакции (1) на вход катодного пространства высокотемпературного электрохимического конвертера 12, в то время как кислород 13 выделяют в анодном пространстве, отделенном от катодного электролитическим слоем. На выходе катодного пространства реакционный поток содержит преимущественно синтез-газ 11, который направляют в реактор синтеза метаносодержащего газа 10 с применением катализатора, преимущественно на основе никеля. Может применяться, например, промышленный катализатор типа АНКМ (ТУ 2178-036-47317879-97 с изм.1). Таким образом, реакцию (2) частично проводят в высокотемпературном электрохимическом процессе при подводе электроэнергии и образовании на аноде продукционного кислорода, а окончательно в каталитическом синтезе метана при отводе тепла, учитывающем экзотермический характер образования метана 9 из синтез-газа 11. Результирующий поток может содержать не только метан (40-60%), который рассмотрен в данном примере, но и другие компоненты смеси, включая водяной пар, водород (8-12%), моно- и диоксид углерода (менее 1%). Таким образом, реакцию (1) паровой каталитической конверсии метаносодержащего газа 4 ведут с учетом данного состава по описанному выше процессу.
Совокупность процессов, проводимых в высокотемпературном электрохимическом конвертере 12 и реакторе синтеза метаносодержащего газа 10, описывается суммарной реакцией как:
При отделении водорода 16 в отделителе водорода 15 перед высокотемпературным электрохимическим конвертером 12 суммарная реакция представляется как:
Суммарный процесс разложения воды в предложенном изобретении описывается реакцией (3), в которой удается получить из воды водород 16 и кислород 13 высокой чистоты с необходимым для дальнейшего использования давлением.
Полученные продукты разложения воды - газообразные водород 16 и кислород 13 могут затем использовать в химической промышленности и металлургии, для переработки углеводородов, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии и как топливо в транспортных и стационарных энергоустановках.
Вместе с тем в другом варианте реализации изобретения при отсутствии потребителей газообразных водорода 16 и кислорода 13 в процессе преобразования солнечной энергии 1 из технологического процесса получения энергоносителей (водяного пара или воды, электроэнергии) может быть исключен высокотемпературный электрохимический конвертер 12 и поток синтез-газа 14 может сразу направляться в реактор синтеза метаносодержащего газа 10, в котором производят процесс обратной реакции 1 с выделением метаносодержащего газа 9, тепла и водяного пара или воды (не показаны), которые могут либо направляться потребителю, либо использоваться в промышленных процессах, для отопления, для получения электроэнергии в паровых турбинах. При этом в период снижения потока солнечной энергии в ночные часы и при увеличении облачности в реактор синтеза метаносодержащего газа 10 поток может подаваться из газохранилищ, аналогичных газохранилищу 8, в котором аккумулируется избыточный в данный период поток синтез-газа 14.
Таким образом, в предложенном изобретении удалось снизить тепловые затраты на процесс получения энергоносителей, а также эффективно поставлять различные энергоносители в условиях отсутствия источников метана, а также в период снижения потока солнечной энергии в ночные часы и при увеличении облачности.