способ получения горючего газа, обогащенного водородом

Формула изобретения

Способ получения горючего газа, обогащенного водородом, включающий нагревание углеродсодержащего вещества с оксидами железа, подачу перегретого пара, отличающийся тем, что нагревают углеродсодержащее вещество с оксидами железа в соотношении 10:(2,5-3,5) в реакторе без доступа кислорода до температуры 350-500°С, подают перегретый пар с той же температурой и получают горючий газ с концентрацией водорода 40-90% в зависимости от исходного сырья, причем в качестве углеродсодержащего вещества используют антрацит, или полукокс торфа, или полукокс древесины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения горючего газа, обогащенного водородом, из твердых углеродсодержащих веществ и может использоваться в теплоэнергетике и химической промышленности.

Известен способ получения газообразного топлива из древесного сырья (патент РФ № 2238962, МПК C10L 3/00, C10J 3/02, C10J 3/14, опубл. 27.10.2004). Получение газообразного топлива ведут путем газификации древесного сырья при температуре 900-1100°С водяным паром, при нагреве древесины в течение 9-35 минут и расходе водяного пара не менее 0,7 кг на 1 кг абсолютно сухой древесины. Способ позволяет получить горючий газ с теплотворной способностью 11-12 МДж/м³ и энерговыходом не менее 80% от теплотворной способности исходной древесины.

Недостатки данного способа - использование высоких температур, невысокая теплотворная способность газа.

Известен способ получения газа из торфа (патент РФ № 2185418, МПК C10J 3/00, C10J 3/02, B01J 23/44, опубл. 20.07.2002). Способ получения торфяного газа включает нагрев торфа с последующей подачей в зону нагрева паровоздушного или паровоздушного дутья по достижении температуры 180-220°С, причем нагрев осуществляют в присутствии палладиевого катализатора на твердом носителе в виде гранул с размером 3-4 мм. В качестве носителя катализатора используют оксид алюминия.

Недостатками данного способа являются использование дорогостоящего палладиевого катализатора, применение паровоздушного дутья, снижающего теплотворную способность газа.

Наиболее близким, принятым за прототип, является способ получения газа из твердого топлива (патент РФ № 2321617, МПК C10J 3/54, опубл. 10.04.2008), в котором нагрев топлива производят до температуры не более 150°С в присутствии катализатора оксида металла, а дутье осуществляют перегретым паром с температурой 150-400°С. При этом в качестве твердого топлива используют торф, уголь или древесину, а в качестве катализатора - оксиды железа и алюминия.

Недостатком способа является низкая концентрация водорода в полученном газе.

Задачей изобретения является увеличение выхода водорода в горючем газе. Поставленная задача решена следующим образом. Осуществляют нагрев углеродсодержащего вещества в присутствии катализатора - оксидов железа, в соотношении 10:(2,5-3,5) с последующей подачей перегретого пара. Нагрев углеродсодержащего вещества ведут в реакторе без доступа кислорода до температуры 350-500°С, подачу перегретого пара осуществляют с той же температурой. В качестве углеродсодержащего вещества используют антрацит или полукокс торфа, или полукокс древесины. Получение водорода происходит по основной реакции:

С+Н₂O=СО+Н ₂,

где С - углерод газифицируемого углеродсодержащего вещества (антрацита или полукокса торфа, или полукокса древесины), Н₂О - перегретый пар с температурой 350-500°С. В результате взаимодействия пара с присадкой оксида железа происходят окислительные реакции (вторичные):

Fe+Н₂ O FeО+Н₂,

3FeO+Н₂O Fe₃О₄+Н₂.

Регенерация оксидов железа протекает по реакциям:

3Fe₂O₃+CO 2Fe₃О₄+CO₂,

Fe₃O₄+CO 3FeО+CO₂,

FeO+CO Fe+CO₂.

Таким образом, образование водорода протекает по основной реакции и вторичной реакциям, при этом образуется балласт в виде СО, которой идет на регенерацию железа.

Верхний предел температуры термической обработки выбран из соображения использования в технологическом процессе реакторов для нагрева углеродсодержащего вещества, пароперегревателей, трубопроводов пара из дешевых углеродистых сталей, не способных работать при температурах выше 500°С.

Для пояснения способа получения водорода из углеродсодержащего вещества приведены чертежи:

На фиг.1 приведена установка по получению горючего газа, обогащенного водородом.

Установка состоит из реактора 1, помещенного в печь 2. В реакторе установлена термопара 3 для измерения температуры углеродсодержащего вещества, помещенного в реактор, а также трубка для ввода пара 4 из парогенератора 5. Реактор с помощью термостойкого шланга 6 соединен с газоанализатором 7.

Работа установки осуществляется следующим образом.

Углеродсодержащее вещество помещают в реактор 1, где с помощью печи 2 нагревают без доступа кислорода до 350-500°С, температуру регистрируют с помощью термопары 3. Затем через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 350-500°С. Полученный горючий газ, обогащенный водородом, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7.

На фиг.2 изображена зависимость выхода водорода в полученном горючем газе от концентрации оксидов железа в углеродсодержащем веществе: 1 - соотношение оксидов железа и антрацита (10:10); 2 - соотношение оксидов железа и антрацита (10:3,5); 3 - соотношение оксидов железа и антрацита (10:2,5); 4 - соотношение оксидов железа и антрацита (10:2,2); 5 - соотношение оксидов железа и антрацита (10:2). Из полученных зависимостей на фиг.2 видно, что оптимальное отношение оксидов железа к антрациту лежит в интервале 0,25-0,35.

Способ получения горючего газа, обогащенного водородом, из углеродсодержащего вещества поясняется на следующих примерах.

Пример 1.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают углеродсодержащее вещество

- антрацит с оксидами железа в соотношении 10:3. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, регистрируя температуру термопарой 3. При достижении температуры антрацитом 400°С через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 400°С. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 90%, теплотворная способность горючего газа равна 10 МДж/м³.

Пример 2.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают углеродсодержащее вещество - полукокс торфа с оксидами железа в соотношении 10:3,5. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, регистрируя температуру термопарой 3. При достижении температуры полукоксом торфа 400°С через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 400°С. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 40%, теплотворная способность горючего газа равна 11 МДж/м³.

Пример 3.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают углеродсодержащее вещество - полукокс древесины с оксидами железа в соотношении 10:2,5. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, регистрируя температуру термопарой 3. При достижении температуры полукоксом древесины 400°С через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 400°С. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 45%, теплотворная способность горючего газа равна 23 МДж/м³.

Пример 4.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают углеродсодержащее вещество - антрацит с оксидами железа в соотношении 10:3. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, регистрируя температуру термопарой 3. При достижении температуры антрацитом 350°С через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 350°С. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 45%.

Пример 5.

В реактор 1, помещенный в печь 2, загружают углеродсодержащее вещество - антрацит с оксидами железа в соотношении 10:3. Производят нагрев реактора без доступа кислорода, регистрируя температуру термопарой 3. При достижении температуры антрацитом 300°С через трубку для ввода пара 4 подают из парогенератора 5 перегретый пар с температурой 300°С. Горючий газ, выходящий из реактора, через термостойкий шланг 6 поступает в газоанализатор 7. Концентрация водорода в полученном горючем газе составляет 20%, таким образом можно сделать вывод о нецелесообразности нагрева до температур ниже 350°С из-за малого выхода водорода.

Способ позволяет получить горючий газ с содержанием водорода 40-90% в зависимости от исходного сырья.