Способ газификации углеводородов для получения водорода и синтез-газа
Владельцы патента RU 2423608:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)
Изобретение относится к экологически безопасным технологиям разработки месторождений и добычи углеводородов, в частности трудноизвлекаемых и нерентабельных залежей угля, сланцев, нефти и газового конденсата. Техническим результатом является повышение эффективности проведения подземной газификации углеводородов. 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 K и отвод из газогенератора продуктов газификации: водорода, окиси углерода, метана и твердых частиц углерода. 1 ил.
Изобретение относится к экологически безопасным технологиям разработки месторождений и добычи углеводородов, в частности трудноизвлекаемых и нерентабельных залежей угля, сланцев, нефти и газового конденсата.
Стремительный рост добычи и потребления углеводородов в мире породил ряд серьезных проблем, способных повлиять на будущее землян. Действительно:
- из сельхозоборота выводится значительное количество земель под шахты и карьеры;
- быстро сокращаются запасы нефти и газа;
- в недрах остается значительное количество неизвлекаемых запасов угля, сланцев, тяжелых фракций нефти и газового конденсата;
- сжигание углеводородов для получения электроэнергии на транспорте и в быту приводит к загрязнению окружающей среды огромными выбросами сажи и парниковых газов.
С другой стороны, уровень современных технологий позволяет уже в настоящее время существенно повысить эффективность разработки и использования углеводородов. Суть предлагаемой технологии сводится к организации процессов:
а) подземной газификации углеводородов (ПГУ) без подачи воздуха в зону горения;
б) окисления углеводородов продуктами электролиза воды;
в) раздельного использования продуктов газификации углеводородов, а именно: водорода в качестве топлива для водородной энергетики, а углерода - преимущественно в качестве строительного элемента перспективных композиционных материалов.
Известны способы подземной газификации угля и электрохимического крекинга тяжелых нефтепродуктов (см. патент RU №2333932, МПК C10G 15/08; Крейнин Е.В., Стрельцов Г.С., Сущенкова Б.Ю. Подземная газификация угля как дополнительный источник получения газообразного топлива // Газовая промышленность. - 2008. - С.30-33; Уилсон К.Л. Уголь - «Мост в будущее», Недра, 1985; Нурсултанов О.С., Полак Л.С., Попов В.Т. Экспериментальные и теоретические исследования неравновесных физико-химических процессов, III. - М.: АН СССР, ИНСХ, 1974. - С.521-534).
Недостатком известных способов является отсутствие комплексного подхода к разработке углеводородов и использованию продуктов их подземной газификации, что снижает эффективность и экологическую безопасность разработки месторождений и добычи углеводородов.
Наиболее близким из известных технических решений является способ газификации угля для получения водорода и синтез-газа (см. патент RU №2354820, МПК E21B 43/295, C01B 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 затраты на подготовку суспензии из порошкообразного алюминия.
Задачей данного изобретения является снижение затрат и повышение эффективности проведения подземной газификации углеводородов.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении температуры и теплотворной способности исходящих газов.
Решение задачи и технический результат достигаются тем, что в способе газификации угля для получения водорода и синтез-газа, 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±1 МПа и поддерживают температуру в диапазоне от 600 до 1750 K.
Принципиальная схема подземного газогенератора для реализации предлагаемого способа газификации углеводородов для получения водорода и синтез-газа показана на чертеже.
Здесь скважинами 1, 2, 3 в пласте 4 формируют подземный газогенератор для газификации углеводородов. 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: кислород и водород. С помощью блока управления 7 в зоне горения 5 поддерживают давление в диапазоне от 0,1 до 23±2 МПа и температуру в диапазоне от 600 до 1750 K. Продукты газификации углеводородов по скважинам и продуктопроводу 8 направляют для дальнейшей переработки и использования. Состав исходящих газов следующий: H2 (~60%), CO (~20%), CH4 (~10%), C (~5%).
Таким образом, в подземном газогенераторе организуют окисление углеводородов с помощью кислорода, полученного при электролизе воды. Электролиз воды при высоком давлении и температуре (условия сверхкритического состояния воды) обеспечивает также прямое окисление углерода водой по реакции , а присутствие продуктов электролиза воды еще и усиливает этот процесс за счет электрокатализа.
Определяющие реакции процесса газификации следующие:
В предлагаемом способе газификации нет необходимости подавать воздух в зону горения пласта, что полностью устраняет присутствие в продуктах газификации вредных соединений азота NOx и значительно повышает теплотворную способность исходящих газов. Этому также способствует подвод электроэнергии для электролиза. В целом температура в зоне горения существенно повышается и окисление углерода при дефиците O2 и избытке H2 идет с образованием CO и CH4. Высокое (до 60%) содержание H2, отсутствие вредных соединений азота NOx и высокая теплотворная способность продуктов газификации позволяют использовать их в технологических процессах получения электроэнергии с помощью топливных элементов и углеродных наноматериалов без дополнительных затрат.
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 водорода и синтез-газа, 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 и поддерживают температуру в диапазоне от 600 до 1750°К.
