способ подготовки газового топлива

Формула изобретения

1. Способ подготовки газового топлива, в котором проводят предварительную очистку, сжатие, охлаждение, осушку газа, хранение газа и подачу газа потребителю через систему газозаправочных колонок, отличающийся тем, что после сжатия газа его последовательно смешивают с водяным паром, нагревают продуктами сгорания газа до температуры в диапазоне 350-530°С, пропускают через каталитический реактор, нагревают во втором теплообменнике до температуры в диапазоне 620-680°С, пропускают через второй каталитический реактор, проводят охлаждение путем испарения и перегрева воды для получения водяного пара, смешиваемого с газом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатие газа ведут в компрессоре за счет расширения водяного пара.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что после охлаждения газа и его осушки проводят дополнительное сжатие газа до давления его хранения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве продуктов сгорания газа используют рабочее тело, прошедшее расширение в тепловом двигателе, в качестве которого могут использовать газовую турбину или двигатель внутреннего сгорания.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед смешением газа с водяным паром проводят очистку газа от соединений серы.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что конденсат, образуемый при осушке газа, направляют на получение водяного пара.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть газа сжигают для нагрева смеси газа с водяным паром, подаваемым во второй каталитический реактор.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию смеси газа с водяным паром в каталитических реакторах ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам и способам газоснабжения транспортных средств и может быть использовано в качестве способа подготовки топлива в газотурбинных приводах компрессорных станций, на транспорте, для производства электроэнергии, в частности может быть использовано в автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях для заправки сжатым природным газом (метаном).

Расширение сфер применения природного газа на автотранспорте требует совершенствования технологии его подготовки и реализации под избыточным давлением. Несовершенство применяемой технологии обусловило недостаточно высокую эффективность автомобильных газонаполнительных компрессорных станций. В результате этой и других причин сдерживается широкое использование экологически чистого газового топлива на транспорте, признанного весьма актуальным как в нашей стране, так и за рубежом.

В целях повышения эффективности автомобильных газонаполнительных компрессорных станций предложен способ, описанный в заявке на изобретение РФ № 93051892, опубл. 10.05.1996, МПК F17C 5/06, в котором способ предусматривает реализацию всего необходимого комплекса процессов подготовки топлива без использования традиционных компрессоров, систем охлаждения, осушки и полное использование аккумулирующей способности накопительных емкостей. Компримирование газа предлагается осуществлять путем передавливания газа из предварительно заполненной газом компримирующей емкости рабочей жидкостью, подаваемой в нее под давлением, в накопительные емкости - аккумуляторы газа, осушку - путем улавливания конденсируемой из газа воды при его сжатии с помощью слоя рабочей жидкости, налитой предварительно в аккумуляторы газа. Причем плотность жидкости ниже плотности воды, а вязкость поддерживается в заданных пределах независимо от температуры окружающей среды. Реализация газа - отпуск газа в емкости потребителей осуществляется на первом этапе также, как и при традиционной технологии - перепуском за счет перепада давлений в аккумуляторах газа и заправляемой емкости потребителя, а на втором этапе, когда давление в аккумуляторах приближается к наибольшему давлению в заправляемой емкости (20 МПа для автомобилей), в аккумулирующие емкости, связанные в систему, поочередно закачивается рабочая жидкость, в результате чего давление в них повышается и продолжается заправка емкостей потребителей до полного использования всего запасенного газа в аккумуляторах. Реализуется цикл: накопление - реализация газа.

Однако описанный способ обладает рядом недостатков, к которым можно отнести функциональные и экономические ограничения применения способа, связанные с необходимостью подачи рабочей жидкости в аккумуляторы газа и отсутствие возможностей изменения состава газа для повышения эффективности его использования в качестве топлива на автотранспорте.

Отчасти этот недостаток устраняется в способе подготовки газового топлива на автотранспорте, описанном в статье Malmö Hydrogen and hydrogen / CNG filling station, Bengt Ridell Carl Bro, Energikonsult AB. Paper presented at the Hydrogen and Fuel cells 2004

Conference and Trade show, Toronto, Canada, September 27, 2004, согласно которой в сжатый природный газ при заправке автотранспортного средства добавляют водород. Такой способ практически не меняет технологию подготовки сжатого природного газа и в то же время позволяет повысить экологические характеристики поставляемого топлива с возможностью повышения эффективности его применения.

Основным недостатком такого способа являются высокие затраты на получение водорода на специализированных производствах, необходимость его доставки на заправочную станцию и создание на станции отдельного водородного узла подготовки газа.

Задача изобретения - создать способ подготовки газового топлива, в котором устранены указанные выше недостатки, и создать условия эффективного повышения экологических характеристик газового топлива с возможностью повышения эффективности его применения.

Поставленная задача решается тем, что в способе подготовки газового топлива, в котором проводят предварительную очистку, сжатие, охлаждение, осушку газа, хранение газа и подачу газа потребителю через систему газозаправочных колонок, после сжатия газа его последовательно смешивают с водяным паром, нагревают продуктами сгорания газа до температуры в диапазоне 350-530°С, пропускают через каталитический реактор, нагревают во втором теплообменнике до температуры в диапазоне 620-680°С, пропускают через второй каталитический реактор, проводят охлаждение путем испарения и перегрева воды для получения водяного пара, смешиваемого с газом.

Кроме того:

- сжатие газа ведут в компрессоре за счет расширения водяного пара;

- после охлаждения газа и его осушки проводят дополнительное сжатие газа до давления его хранения;

- в качестве продуктов сгорания газа используют рабочее тело, прошедшее расширение в тепловом двигателе, в качестве которого могут использовать газовую турбину или двигатель внутреннего сгорания;

- перед смешением газа с водяным паром проводят очистку газа от соединений серы;

- конденсат, образуемый при осушке газа, направляют на получение водяного пара;

- по крайней мере часть газа сжигают для нагрева смеси газа с водяным паром, подаваемым во второй каталитический реактор;

- реакцию смеси газа с водяным паром в каталитических реакторах ведут без подвода тепловой энергии на катализаторе, содержащем металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения.

Примером реализации изобретения служит способ подготовки газового топлива, описанный ниже.

На фигуре дано схемное решение предложенного способа подготовки газового топлива.

Способ осуществляется следующим образом.

Природный газ 1 с давлением ниже 2.0 МПа подвергают очистке от соединений серы (если они содержатся в виде примесей в природном газе) в аппарате сероочистки 2, сжимают в компрессоре 3 до давления 4.0 МПа, смешивают с перегретым потоком водяного пара высокого давления 4 в узле смешения 5 до соотношения пар/газ, например, равного 4.0, и полученную парогазовую смесь нагревают до температуры 450°С в теплообменнике 6, после чего направляют в каталитический реактор 7, в котором производят стабилизацию состава парогазовой смеси с получением метансодержащей парогазовой смеси с концентрацией водорода от 1 до 5%, после чего полученную метансодержащую парогазовую смесь нагревают до температуры 650°С во втором теплообменнике 8 и направляют из теплообменного блока 9, обогреваемого продуктами сгорания 10, поступающими из теплового двигателя 11, питаемого топливом 12, во второй каталитический реактор 13, в котором концентрацию водорода повышают свыше 20% и полученную метансодержащую парогазовую смесь 14 направляют на охлаждение в парогенератор 15, после чего подают на осушку, которую проводят с конденсацией и сепарацией водяного пара в блоке осушки 16. После осушки газ при необходимости сжимают в дополнительном компрессоре 17 до давления хранения газа, например 20 МПа, и направляют в емкости хранения 18, из которых ведут подачу газа потребителю через систему газозаправочных колонок 19. Часть водяного пара высокого давления 4 могут расширять в паровом приводе 20 компрессора 3 с получением водяного пара низкого давления, который конденсируют в конденсаторе 21 с получением конденсата 22, направляемого насосом (на фигуре не показан) вместе с питательной водой 23 в парогенератор 15. При необходимости часть полученного водородсодержащего газа 24 могут направлять на рециркуляцию в аппарат сероочистки 2 для гидрирования сернистых соединений, например, проводимого в две ступени: сначала ведут, например, на алюмокобальтмолибденовом катализаторе гидрирование органических соединений серы, например меркаптанов в сероводород, а затем поток направляют на поглощение образовавшегося сероводорода активированным оксидом цинка в реакторах поглощения, включенных в работу последовательно или параллельно.

Очистку природного газа от соединений серы ведут не только для повышения работоспособности катализатора, содержащего металлы из ряда никель, железо, платина, палладий, иридий или их соединения, но и для улучшения потребительских качеств газового топлива, в частности для уменьшения неприятного запаха, сопровождающего процессы заправки и применения газа.

Выбор температуры нагрева определяется необходимостью избежать образования сажи в каталитических реакторах 7 и 13, что предопределяет предпочтительный уровень верхней возможной температуры 530°С в первом каталитическом реакторе 7 и 680°С во втором каталитическом реакторе 13. С другой стороны, равновесная степень превращения метана ниже 620°С даже при относительно высоких соотношениях водяной пар/газ становится практически неприемлемой. Для коррекции температуры и состава газов в теплообменный блок 9 могут подавать для сжигания дополнительный поток природного газа (на фигуре не показан).

Полученный водородсодержащий газ 24 могут затем использовать для производства товарного водорода или водородометановой смеси, для чего из потока могут удалять CO₂ в абсорбционной очистке, например, водным раствором активированного моно- и диэтаноламина, а затем окончательно выделять водород в мембранном отделителе или путем короткоцикловой адсорбции на активированном угле или цеолите, в процессе чего получают продукты десорбции, которые направляют частично на сжигание и используют в качестве рециркулируемого газа.