Способ газификации углеводородов для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов

Изобретение относится к экологически безопасным технологиям добычи углеводородов и раздельного использования продуктов их подземной газификации, в частности водорода для получения электроэнергии, а углерода для углеродных наноматериалов. Техническим результатом являются повышение эффективности и экологической безопасности процесса подземной газификации углеводородов, а также повышение эффективности преобразования химической энергии высококалорийных исходящих газов в электрическую энергию и получение углеродных наноматериалов. Способ газификации углеводородов включает формирование в пласте залегания углеводородов подземного газогенератора и подачу воды и электроэнергии в газогенератор. При этом осуществляют электролиз воды при давлении в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа и температуре в диапазоне 600 до 1750 К и отвод из газогенератора продуктов газификации. При этом продукты газификации пропускают через газоструйную мельницу, электрофильтр и используют для выработки электроэнергии с помощью топливных элементов и энергетической установки с газопаровым циклом, а твердые углеродсодержащие компоненты используют для получения углеродных наноматериалов. 1 ил.

 

Изобретение относится к экологически безопасным технологиям добычи углеводородов и раздельного высокоэффективного использования продуктов газификации углеводородов, в частности водорода для получения электроэнергии, а углерода для получения углеродных наноматериалов.

Обычно сжигание углеводородов для получения электроэнергии связано с выбросом в окружающую среду парниковых газов и миллионов тонн сажи, например при сжигании угля на электростанциях и в быту. Подземная газификация углеводородов (ПГУ), в первую очередь угля, позволяет оставлять породу там, где она находилась, и при меньших трудозатратах повысить долю извлекаемых из месторождений углеводородов.

Известные технологии ПГУ с дутьем воздуха в зону горения имеют два существенных недостатка: низкую теплотворную способность исходящих газов и высокое содержание в них вредных соединений азота (NO_X). Известно также, что высокую эффективность преобразования химической энергии в электрическую можно добиться лишь при использовании горючего газа с высокой теплотворной способностью.

Известна система, вырабатывающая электрическую энергию с помощью газификации горючих веществ (патент RU №2270845, МПК C10J 3/00, Н01М 8/06, 1998), включающая газификацию горючих веществ, получение и нормализацию продуктов газификации и использование их для получения электроэнергии в системах, содержащих топливные элементы.

Недостатком известного предложения является высокая загрязненность продуктов газификации присадками, отравляющими топливные элементы.

Известен способ получения нанодисперсного углерода (см. патент RU №2344074, МПК С01В 31/00, В82В 3/00, 2007), включающий приготовление смеси с отрицательным кислородным балансом, состоящей из углесодержащих веществ и окислителя, впуске смеси в детонационную камеру, ее детонации в среде, инертной по отношению к углероду, и последующим охлаждением продуктов детонации со скоростью 2·10⁵-10⁶ К/с.

Недостатком известного способа являются высокие затраты на подготовку детонирующей смеси при высоком давлении и температуре.

Наиболее близким из известных технических решений является способ газификации угля для получения водорода и синтез-газа (см. патент RU №2354820, МПК Е21В 43/295, С01В 3/00, 2007), включающий вскрытие буровыми скважинами залежей углеводородов, формирование и розжиг подземного газогенератора, подачу в зону горения суспензии порошкообразного алюминия в водной среде под давлением, контроль за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулирование и отвод из газогенератора исходящих газов.

Недостатком известного способа являются дополнительные расходы на подготовку суспензии из порошкообразного алюминия.

Задачей данного изобретения являются снижение накладных расходов и повышение эффективности подземной газификации углеводородов.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается:

- в повышении температуры и теплотворной способности исходящих газов;

- в радикальном снижении выбросов парниковых газов при использовании водорода для получения электроэнергии;

- в повышении эффективности преобразования химической энергии высококалорийных исходящих газов в электрическую энергию с помощью газопаровых энергетических установок и топливных элементов;

- в получении углеродных наноматериалов из углеродсодержащих компонентов продуктов газификации углеводородов.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе газификации угля для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов, основанном на вскрытии буровыми скважинами залежей углеводородов, формировании и розжиге подземного газогенератора, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании и отводе из газогенератора исходящих газов, в газогенератор подают воду и электроэнергию, осуществляют электролиз воды при давлении в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа, поддерживают температуру в диапазоне от 600 до 1750 К, исходящие из газогенератора продукты газификации углеводородов пропускают через газоструйную мельницу и электрофильтр и направляют в газопаровую энергетическую установку и/или топливный элемент для получения электроэнергии. При этом твердые компоненты продуктов газификации углеводородов из пылесборника электрофильтра направляют в сепаратор для разделения по фракциям, дальнейшей переработки и получения углеродных наноматериалов.

Принципиальная схема подземного газогенератора для реализации предлагаемого способа газификации углеводородов для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов показана на чертеже.

Подземный газогенератор формируют при вскрытии скважинами 1, 2, 3 пласта углеводородов 4. В зону горения 5 вводят электролизер 6 с кабелем электропитания, датчиками и устройствами контроля за технологическими и гидрологическими параметрами. После розжига подземного газогенератора в зону горения 5 подают воду и продукты гидролиза воды O₂ и H₂. Через блок управления 7 поддерживают давление в зоне горения в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа и температуру в диапазоне от 600 до 1750 К. Исходящие из подземного газогенератора продукты газификации по продуктопроводу 8 пропускают в газоструйную мельницу 9, электрофильтр 10 и направляют в газопаровую энергетическую установку 11 с газовой и паровой турбинами для выработки электроэнергии. Частично или полностью химическая энергия исходящих газов после электрофильтра 10 может быть также преобразована топливными элементами 12 в электрическую энергию с КПД, близким к 80%. Твердые компоненты продуктов газификации углеводородов из пылесборника 13 электрофильтра 10 направляют в сепаратор 14 для разделения по фракциям и получения углеродных наноматериалов.

Таким образом, за счет электрической энергии, вводимой в зону горения и окисления углерода продуктами электролиза воды и самой воды при высоком давлении и температуре, обеспечивают высокоэффективную газификацию углерода. Продукты газификации содержат водород (~60%), окись углерода (~20%), метана (~10%), твердый углерод (~5%) и менее 5% других примесей. Полностью отсутствуют в исходящих газах экологически вредные окислы азота (NO_X) и незначительно присутствует двуокись углерода. Высокую температуру и теплотворную способность исходящих горючих газов обеспечивают электрохимическая кинетика и подводимая электроэнергия.

H₂O→O₂+Н₂

2С+O₂→СО

С+H₂O→СО+Н₂

С+2Н₂→СН₄

Продукты газификации пропускают через газоструйную мельницу 9, где в сталкивающихся сверхзвуковых струях дробят твердые фракции двухфазного потока до размеров частиц порядка 1 мкм. Из газоструйной мельницы 9 поток вводят в элекрофильтр 10, отделяют твердые частицы и направляют его в энергетическую установку 11 и топливные элементы 12 для получения электроэнергии. Высокое содержание водорода в продуктах газификации позволяет повысить эффективность преобразования химической энергии топливных элементов до 80% и практически исключить выброс в атмосферу парникового газа CO₂. Твердые компоненты продуктов газификации из пылесборника 13 электрофильтра 10 направляют на переработку и получение углеродных наноматериалов для перспективных композитов с высокой удельной прочностью, коррозионной стойкостью, ресурсом и другими важными потребительскими свойствами.

Заявленное изобретение положено в основу проекта на открытый конкурс Роснауки на право заключения с Федеральным агентством по науке и инновациям государственного контракта на проведение НИР в области экологически безопасных разработок месторождений и добычи природных ископаемых (лот 10, шифр 2010-1,1-224-041).

Способ газификации углеводородов для получения электроэнергии и углеродных наноматериалов, заключающийся во вскрытии буровыми скважинами залежей углеводородов, формировании и розжиге подземного газогенератора, контроле за основными технологическими и гидрологическими параметрами, их регулировании и отводе из газогенератора исходящих газов, отличающийся тем, что в газогенератор подают воду и электроэнергию, осуществляют электролиз воды при давлении в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа, поддерживают температуру в диапазоне от 600 до 1750К, исходящие из газогенератора продукты газификации углеводородов пропускают через газоструйную мельницу, электрофильр и газопаровую энергетическую установку и/или топливные элементы, а твердые компоненты продуктов газификации углеводородов из пылесборника электрофильтра направляют в сепаратор.