Комплекс по производству, хранению и распределению водорода
COMPLEX FOR PRODUCTION, STORAGE AND DISTRIBUTION OF HYDROGEN

Изобретение относится к сооружению и эксплуатации подземных резервуаров и хранилищ в отложениях каменой соли и может быть использовано в нефтяной, газовой, химической и других отраслях промышленности.
В России имеется большой опыт по созданию и эксплуатации подземных хранилищ газов и жидкостей в каменной соли, в водоносных горизонтах и в истощенных месторождениях нефти и газа.
Возрастание роли природного газа в региональной и мировой энергетике требует создания технологий повышения эффективности и расширения сфер применения природного газа. Среди технологий, основанных на инновационных решениях, одну из ключевых ролей занимает применение в газовой промышленности инновационных водородосодержащих энергоносителей, производимых из природного газа и создающих эффективные направления экономии природного газа на базе отработанных промышленных технологий, процессов и катализаторов. Одной из таких технологий является производство метано-водородной смеси.
В предлагаемом техническом решении описывается комплекс по производству, хранению и распределению водорода. Предпочтительным вариантом по экономике строительства и эксплуатации подземного хранилища природного газа является его создание в непроницаемых, устойчивых горных породах - в отложениях каменной соли.
Из уровня техники известен технологический комплекс по переработке рассола при сооружении подземных хранилищ газообразных и жидких продуктов в отложениях каменной соли (см. патент RU 2656289 С1, опубл. 04.06.2018), включающий в себя подземное хранилище газа, подземную выработку-емкость, производственный сегмент очистки рассола, производственный сегмент рассолопотребляющих предприятий, и сегмент предприятий генерирования энергоносителей и технологических сред. Производственный сегмент очистки рассола соединен линией подачи рассола с подземной выработкой-емкостью и включает в себя предприятие гравитационной и химической очистки строительного рассола и централизованное хранилище очищенного рассола. Производственный сегмент рассолопотребляющих предприятий соединен линиями подачи очищенного рассола с производственным сегментом очистки рассола и магистральной линией подачи природного газа из подземного хранилища. Сегмент предприятий генерирования энергоносителей и технологических сред связан инженерными коммуникациями с производственным сегментом очистки рассола и с сегментом рассолопотребляющих предприятий.
Однако, данный комплекс характеризуется низким коэффициентом и неэффективным использованием природного газа. Кроме того, несмотря на то, что газ один из самых чистых из всех ископаемых видов топлива, тем не менее, его применение характеризуется выбросами вредных веществ в атмосферу.
Наиболее близким аналогом изобретения, выбранным в качестве прототипа является газохимический комплекс (см. патент RU 2648077 С9, опубл. 22.03.2018), содержащий газоперерабатывающий завод, газохимический завод, завод по производству удобрений и объединяющую заводы друг с другом газотранспортную сеть. На газоперерабатывающем заводе природный углеводородный газ с содержанием этана более 3-4% об. последовательно очищают от примесей и фракционируют на метан, этан и широкую фракцию легких углеводородов. Метан направляют в виде товарного топливного газа потребителям и/или на завод по сжижению природного газа. Этан направляют на установки пиролиза этана газохимического завода с получением этилена и его полимеризацией в полиэтилен. Широкую фракцию легких углеводородов разделяют на пропан, подаваемый на установки дегидрирования пропана газохимического завода с получением пропилена и его полимеризацией в полипропилен, товарные бутан и углеводороды С5 и выше в виде конденсата.
Преимуществом данного технического решения является создание метано-водородной фракции с последующим ее разделением на метан и водород. Однако в известном техническом решении в рамках комплекса водород использован только для производства минеральных удобрений, что не является эффективным и приводит к низким эксплуатационным возможностям использования водорода. Кроме того, не решена проблема утилизации вредных веществ, в том числе углекислого газа, который образуется при получении метано-водородной смеси.
Задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей использования водорода.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание комплекса с высокой эффективностью применения водорода, предусматривающий его создание, хранение, а также использование в промышленных процессах и в качестве горючего, и интеграция технологических объектов, использующих водород с минимизацией выбросов в атмосферу при транспортировке и потреблении газа.
В соответствии с настоящим изобретением на месте сооружения и эксплуатации подземного хранилища газа создается комплекс по производству, хранению и распределению водорода. Структура предлагаемого комплекса показана на фиг. 1. На которой представлен общий вид комплекса. Комплекс включает в себя по меньшей мере одно подземное хранилище 1 газа, сегмент производства метано-водородной смеси, сегмент водород потребляющих предприятий и сегмент захоронения углекислого газа, при этом сегмент производства метано-водородной смеси трубопроводами 3 соединен с подземным хранилищем газа, сегментом водород потребляющих предприятий и сегментом захоронения углекислого газа.
Количество подземных резервуаров в хранилище зависит от объема хранимого природного газа. Хранилище также может состоять из нескольких подземных резервуаров. Подземные резервуары строятся методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины. Образованный строительный рассол подлежит утилизации или захоронению. Для создания подземного хранилища необходимо, чтобы выбранная строительная площадка имела возможность по обеспечению необходимым количеством растворителя и способность утилизации или захоронения строительного рассола.
Объем хранимого природного газа определяется путем сложения, в основном, трех типов резерва природного газа. Первый - это нехватка природного газа при авариях на газопроводе. Резерв хранимого газа при авариях на газопроводе составляет максимум в год в размере трехдневного объема потребления. Второй тип резерва - это объем природного газа для обеспечения сезонной неравномерности газопотребления. Величина сезонной неравномерности газопотребления составляет около 15% от общего объема потребляемого газа за год. И третий тип резерва - это объем природного газа для регулирования пиковой неравномерности газопотребления данного района. Этот резерв природного газа составляет 3-5% от общего объема потребления газа.
В состав подземного хранилища входят следующие объекты: подземные резервуары, компрессорная станция и наземная система подготовки газа к транспортировке. Компрессорная станция работает только во время закачки природного газа в подземное хранилище. Отбор газа из хранилища осуществляется за счет энергии сжатого газа. Система подготовки газа к транспортировке состоит из системы дросселирования, осушки, подогрева и измерения газа, отправленного на станцию по производству метано-водородной смеси.
Станция 6 по производству метано-водородной смеси является главным модулем комплекса по производству, хранению и распределению водорода и состоит из двух технологических комплексов. Первый технологический комплекс -это высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор, который предназначен для выработки тепловой энергии с целью подогрева природного газа и подготовки водяного пара.
Второй технологический комплекс, который предназначен для производства метано-водородной смеси (МВС) состоит из трех самостоятельных взаимосвязанных технологических блоков:
конвертор по производству метано-водородной смеси;
конденсатор для выделения водяного пара из метано-водородной смеси;
2
разделительный блок по выделению СО из метано-водородной смеси
Конвертор по производству метано-водородной смеси является главным технологическим блоком во втором технологическом комплексе станции по производству метано-водородной смеси. Способ производства водорода в конверторе - паровая адиабатическая конверсия метана.
Конвертор изготовляется из обычной стали, т.к. процессы, проходящие в нем, не превышают по температуре 700°С. Форма конвертора цилиндрическая высотой 7-10 м. Внутри реактора на двух полках расположены катализаторы.
Сверху подается нагретый метан (природный газ) и водяной пар, снизу выходит метано-водородная смесь совместно с водяными парами и углекислым газом.
Конденсатор водяных паров является технологическим блоком стандартной конструкции. Его изготавливают и устанавливают для каждого конвертора индивидуально или его устанавливают для обслуживания группы конверторов. Данный вопрос решается в процессе проектирования станции по производству метано-водородной смеси.
2
Во втором технологическом комплексе станции по производству метано-водородной смеси самым сложным модулем является разделительный блок по выделению СО из метано-водородной смеси.
2
2
В настоящее время существует хорошо разработанный способ выделения СО из таких сложных по составу смесей. Абсорбционный метод, который широко применяется в промышленности. Можно и нужно провести исследовательские работы по применению мембранной технологии выделения СО из метано-водородной смеси.
2
2
2
2
Устройство по выделению СО из метано-водородной смеси расположено на территории станции 6 по производству метано-водородной смеси. Количество таких устройств не зависит от способа выделения СО из метано-водородной смеси. Количество устройств по выделению СО зависит от обоснования технико-экономической целесообразности всего модуля - конвертор совместно с устройством по выделению СО и конденсатора для выделения водяного пара.
2
Такие устройства по выделению СО можно установить для каждого конвертора по производству метано-водородной смеси индивидуально. Можно установить для группы конверторов одно устройство.
2
Использование МВС в качестве топливного газа позволяет уменьшить выбросы СO и СО в полтора раза. Это связано с тем, что часть водорода, содержащегося в МВС, получается из воды, а также уменьшается на 30-40% количество используемого топливного газа.
Сегмент водород потребляющих предприятий содержит по меньшей мере один мембранный модуль 8 по разделению метано-водородной смеси на водород и метан. Данный модуль устанавливается у потребителя. Такое решение позволяет использовать существующий фонд газопроводов без изменения их конструкции. Так как использовать существующую сеть газопроводов без существенных изменений конструкции соединения труб, оборудования, компрессора и других элементов управления эксплуатации газопроводов возможно, если содержание водорода в метано-водородной смеси не превышает 40% по объему.
Выделившийся в мембранном модуле водород направляется потребителю (различные объекты потребляющие водород), который принимает и использует его по назначению. Вторая часть метано-водородной смеси, которая составляет 60%, является метаном (природным газом). Он по трубопроводу возвращается обратно в сегмент 6 по производству МВС.
В настоящее время мембранные модули позволяют получить водород из метано-водородной смеси чистотой до 99,5%. В этом случае стоимость водорода с указанной чистотой составит всего на 15-20% выше по сравнению со стоимостью метано-водородной смеси с содержанием 40% водорода и 60% метана, полученной непосредственно методом адиабатической конверсии метана.
На рис. 1 комплекса по производству, хранению и распределению водорода указаны некоторые возможные объекты, где используется водород. В частности, населенный пункт 7, промышленное предприятие 9, газотурбинная установка 10 для выработки электроэнергии, теплоэлектростанция 4, заправочная станция 11.
В указанных предприятиях, помимо прямого использования водорода в качестве горючего, его используют также в нижеследующих процессах:
синтез аммиака и метанола,
синтез газообразных и жидких углеводородов,
гидрогазификация твердых горючих,
гидропереработка и очистка жидких горючих,
прямое восстановление руд черных и цветных металлов,
получение чистых и сверхчистых металлов,
спекание металлических порошков,
производство авиационного, автомобильного и ракетного горючего, горючего для газовых турбин и МГД-генераторов.
водород в химической и нефтехимической промышленности, в производстве минеральных удобрений, в промышленности добычи и транспортировки газа,
водород и его изотопы в атомной промышленности,
атомная и тепловая энергетика,
в космической технике,
в электрохимическом производстве,
в пищевой и фармацевтической промышленности,
изотопы водорода и управляемый термоядерный синтез
Для регулирования неравномерности потребления водорода комплексе по производству, хранению и распределению водорода предусмотрена скважина 12 для подземного хранения метано-водородной смеси или водорода.
В настоящее время, в основном, рассматриваются следующие способы хранения водорода:
в газообразном состоянии под давлением в подземных хранилищах, газгольдерах и баллонах различного типа;
в жидком состоянии в криогенных емкостях;
в твердофазном связанном состоянии в гидридах металла;
в химически связанном состоянии в жидких средах;
в инкапсулированном газообразном состоянии в стеклянных микросферах, пенометаллах и цеолитах.
Обычно жидкий водород хранится в космических центрах, химических заводах и других объектах, где для технологии его использования необходимо иметь водород в жидком состоянии. На указанных объектах жидкий водород хранится в металлических резервуарах с экранно-вакуумной изоляцией.
В предлагаемом изобретении предусмотрено подземное хранение чистого водорода и/или метано-водородной смеси с содержанием водорода до 40% по объему.
Подземные резервуары хранилища метано-водородной смеси создаются в отложениях каменной соли методом подземного растворения каменной соли через буровые скважины.
Количество подземных хранилищ зависит от объема хранимой метано-водородной смеси. Однако, в предпочтительном варианте изобретения количество подземных хранилищ должно быть не менее двух единиц. Оптимальная глубина размещения подземных хранилищ составляет от 800 до 1200 м. Геометрический объем единичного хранилища зависит от горногеологических характеристик залежи каменной соли. Сооружаются подземные хранилища в залежах каменной соли всех морфологических типов - пластовых, пластово-линзообразных, линзообразных, куполах и штоках.
В предлагаемой технологической схеме комплекса по производству, хранению и распределению водорода предусмотрена технология захоронения углекислого газа, выделившегося из метано-водородной смеси непосредственно в сегменте 6 по производству метано-водородной смеси.
При производстве водорода (метано-водородной смеси) из природного газа методом адиабатической конверсии метана получается в виде балласта углекислый газ. Количество углекислого газа в метано-водородной смеси составляет около 12% по объему.
Проблема глобального потепления Земли в результате антропогенных воздействий углекислого и других газов, поглощающих излучение в инфракрасном диапазоне в атмосфере постепенно, возрастает. Вследствие чего растет средняя температура Земли. Следовательно, для соблюдения экологических норм, утвержденных международными соглашениями, углекислый газ, находящийся в метано-водородной смеси, необходимо выделить и отправить в систему для захоронения.
В настоящее время существует три способа захоронения углекислого газа -геологическое захоронение, захоронение на дне океана и карбонизация минералов. Из перечисленных способов два последних на сегодняшний день находятся на исследовательском этапе. Поэтому для захоронения углекислого газа в нашем случае также рассматриваем вариант геологического захоронения.
Углекислый газ можно захоронить в глубокозалегающих пористых пластах -водоносных, газовых и нефтяных месторождениях.
При выборе района строительства комплекса по производству, хранению и распределению водорода при учете других требований (уровень и разновидность промышленности, численность населения, развитая сеть газопроводов и др.) необходимо учитывать и требования по возможности геологического способа захоронения углекислого газа.
Сегмент захоронения углекислого газа состоит из компрессорной станции 5, скважины 2 для закачки углекислого газа и пласта 14 для закачки углекислого газа, который располагается под пластом 13 каменной соли. Углекислый газ в пористом пласте (водоносном, газовом, нефтяном) может находиться как в газообразном, так и в жидком состоянии. Агрегатное состояние углекислого газа зависит от параметров его состояния (давления и температуры).
Известно, что при нормальной температуре и при давлении 7,5 МПа углекислый газ переходит в жидкое состояние. Поэтому глубину пласта закачки углекислого газа необходимо выбирать так, чтобы он в данных условиях находился в жидком состоянии. Тогда его объем значительно уменьшится и, следовательно, уменьшится занимаемая площадь.
В территориальном расположении комплекса по производству, хранению и распределению водорода существуют многочисленные и многоразмерные трубопроводные системы по транспортировке природного газа, метано-водородной смеси и чистого водорода.
В настоящее время не существует широкого применения водорода, и поэтому нет системы его трубопроводного транспорта. Пока, в основном, рассматриваются следующие системы транспортировки водорода:
в газообразном состоянии под давлением по трубопроводам в газгольдерах и баллонах различного типа;
в жидком состоянии в криогенных емкостях;
в твердофазном связанном состоянии в гидридах металла;
в химически связанном состоянии в жидких средах;
в инкапсулированном газообразном состоянии в стеклянных микросферах, пенометаллах и цеолитах.
В мире существуют несколько примеров по трубопроводному транспорту водорода как в чистом виде, так и в смеси с углеводородами.
В настоящее время эксплуатируется подземный трубопровод водорода (г. Рур), производительностью 18 т/ч с чистотой 95% под давлением от 1,5 до 4 МПа, общей длинной 210 км при диаметре труб от 150 до 300 мм.
В ЮАР, в районе г. Иоганесбурга, эксплуатируется трубопровод длинной 80 км, по которому транспортируется смесь углеводородных газов с 50% водорода.
В Тессиди (Англия) водород чистотой 95% в количестве 80 тыс.т в год транспортируется потребителям по наземным трубопроводам длиной 16 км под давлением 5 МПа.
Трубопроводный транспорт жидкого водорода на большие расстояния невыгоден из-за очень высокой стоимости труб.
В предлагаемом комплексе по производству, хранению и распространению водорода, в основном, по трубопроводной сети транспортируется метано-водородная смесь и очень малое количество чистого водорода.
Проведенные исследования показали, что при объемном содержании водорода до 40% в смеси с природным газом существующие системы трубопроводного транспорта такого газа практически не требуют модернизации.
4
2
Природный газ (СH) по магистральному газопроводу 3 из подземного хранилища 1 подается в станцию 6 по производству метано-водородной смеси. Станция 6 включает в себя высокотемпературный газоохлаждаемый ядерный реактор для выработки тепловой энергии и технологический комплекс по производству метано-водородной смеси. Технологический комплекс состоит из конвертора, конденсатора для конденсации водяного пара, находящегося в метано-водородной смеси и разделительного блока для выделения из метано-водородной смеси СО.
Для обеспечения бесперебойной подачи природного газа в станцию 6 по производству метано-водородной смеси предусмотрено подземное хранилище природного таза 1.
2
2
После сегментаб по производству метано-водородной смеси выходят два потока. Один поток - основной составляет метано-водородная смесь, который направляется в сегмент водород потребляющих предприятий (потребителям), а второй поток составляет углекислый газ (СО). Далее СО направляется в компрессорную станцию 5 для закачки в поглощающий пласт 14 через скважину 2.
Очищенная от водяного пара и углекислого газа метано-водородная смесь (содержание водорода в смеси до 40%) направляется  в сегмент водород потребляющих предприятий.
2
4
2
Перед потреблением метано-водородная смесь с помощью мембранных модулей 8 разделяется на чистый водород (Н) и метан (СH). Метан (природный газ) обратно возвращается по трубопроводу на вход станции 6 по производству метано-водородной смеси. Чистый водород (H) направляется к потребителю.
В частности, потребителями являются: населенный пункт (город, поселок) 7, промышленное предприятие 9, газотурбинная установка, работающая на водороде 10 или большая ТЭЦ 4, заправочная станция 11.
2
Для обеспечения бесперебойной подачи водорода потребителю в схеме предусмотрено подземное хранилище 12 водорода и/или метано-водородной смеси. Можно хранить и чистый водород. Для строительства подземных хранилищ МВС и H предпочтение отдается непроницаемым, устойчивым горным породам, какими являются отложения каменной соли.
Метод получения МВС - адиабатическая конверсия метана.
Для подогрева природного газа до температуры 750°С и подготовки водяного пара необходимых параметров используется высокотемпературный ядерный реактор, который находится в сегменте 6 по производству метано-водородной смеси.
Радиус влияния комплекса составляет от 200 до 500 км. Радиус влияния зависит от объема потребления водорода района размещения комплекса. Чем больше потребление водорода районом, тем больше производительность по водороду, следовательно, тем меньше будет радиус влияния. Таким образом, если район размещения малонаселенный, не развитой промышленности, тогда радиус влияния комплекса должен быть не менее 500 км. Если район размещения комплекса является промышленно развитым, много потребителей водорода, тогда радиус влияния комплекса можно уменьшить до 200 км.
В представленной схеме комплекса по производству, хранению и распределению водорода указаны все возможные объекты, где используется водород. В частности: населенный пункт, промышленное предприятие, газотурбинная установка для выработки электроэнергии, ТЭС, заправочная станция.
В указанных предприятиях, помимо прямого использования водорода в качестве горючего, его используют также в нижеследующих процессах:
синтез аммиака и метанола,
синтез газообразных и жидких углеводородов,
гидрогазификация твердых горючих,
гидропереработка и очистка жидких горючих,
прямое восстановление руд черных и цветных металлов,
получение чистых и сверхчистых металлов,
спекание металлических порошков,
производство авиационного, автомобильного и ракетного горючего, горючего для газовых турбин и МГД-генераторов.
водород в химической и нефтехимической промышленности, в производстве минеральных удобрений, в промышленности добычи и транспортировки газа,
водород и его изотопы в атомной промышленности,
атомная и тепловая энергетика,
в космической технике,
в электрохимическом производстве,
в пищевой и фармацевтической промышленности,
изотопы водорода и управляемый термоядерный синтез
В рамках данного изобретения реализована отдельная технологическая платформу централизованного производства газового топлива не только для локальных и региональных сфер его применения, но и для поставок по отдельным энергетическим коридорам в транснациональные газотранспортные сети и создания запасов этого топлива в подземных газохранилищах.