Способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара и устройство для его осуществления

Изобретение касается способа получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара, который осуществляют в три этапа: на первом этапе перегретый пар высокого давления смешивают с природным газом при 2,5-3 МПа, при весовом соотношении пара и природного газа 7:1, полученную парометановую смесь нагревают до температуры 500-550°С теплом уходящих газов газовой турбины, подают в адиабатический каталитический реактор, производят паровую каталитическую конверсию метана в никелевом катализаторе, с образованием в каталитическом реакторе парометаново-водородной смеси, содержащей до 5% доли водорода; на втором этапе эту смесь и закрученный поток сжатого воздуха подают в форкамеру, в горелку подают топливный природный газ, полученную «богатую» топливно-воздушную смесь сжигают при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7, повышая температуру продуктов сгорания до 1300-1350°С и увеличивая долю водорода до 15-20% вследствие высокотемпературной паровой конверсии метана; на третьем этапе в камере дожигания сжигают «бедную» топливно-воздушную смесь при коэффициенте избытка воздуха 1,5-2,5 и повышают долю водорода в продуктах сгорания выше 20%, в ее продукты сгорания подают разбавляющий сжатый воздух и снижают до требуемой температуру газа перед газовой турбиной. Также изобретение касается устройства для реализации способа. Технический результат - увеличение содержания водорода в топливном газе газотурбинных установок и значительное улучшение их топливной экономичности, а также экологичности за счет существенного снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах газовых турбин. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способу получения водородсодержащего газообразного топлива путем электрической и высокотемпературной конверсии природного газа и может быть использовано в энергетических газотурбинных и парогазовых установках.

Известен способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси (Патент РФ №2639397), согласно которому смесь природного газа и пара нагревают теплом расширенных продуктов сгорания, подают в первый адиабатический каталитический реактор с образованием в нем метаносодержащей парогазовой смеси, нагревают ее до температуры 620-680°С теплом охлаждения камеры сгорания, направляют во второй каталитический реактор и обогащенную в нем водородом парогазовую смесь подают в камеру сгорания.

Недостатком этого способа является применение в нем двух адиабатических каталитических реакторов, что усложняет газотурбинную установку. Известно, что метан, содержащийся в природном газе, в смеси с перегретым паром может подвергаться термическому разложению при повышении температуры смеси выше 900°С. (Справочник химика 21. Химия и химическая технология. Стр. 242).

Известен многоступенчатый способ получения водородсодержащего газообразного топлива и теплогазогенераторная установка его реализации (способ Аракеляна Г.Г.) (Патент РФ №2478688). Получение водородсодержащего газообразного топлива осуществляют в этом способе многостадийно. На первом этапе способа из воды получают перегретый пар, смешивают его с углеводородным компонентом, пароуглеродную смесь нагревают до температуры образования водородсодержащего газообразного топлива, на второй ступени поджигают его с повышением температуры огневого факела до 1000-1300°С, на следующей третьей стадии температуру огневого факела повышают до температуры 2000-2100°С.

Преимуществом способа является использование в нем высокотемпературной конверсии метана без применения специальных никелевых катализаторов. Недостатком способа является сложность его реализации и относительно невысокое содержание водорода в топливной смеси.

Каталитический метод применяют для ускорения реакции конверсии метана при низких температурах процесса. (Производство водорода из природного газа, machromol.kiev.ua/2012/08/proizvodstvodstvo-vodoroda-iz-prirodnogo-gaza/).

Известен метод высокотемпературной конверсии природного газа (метана) при давлении 2-3 МПа и температуре 1350°С, без применения в нем катализатора. (База знаний «Allbest». knowledge allbest.ru). Его недостатком является невысокое количество получаемого водорода.

Известен способ получения водородсодержащего газа в турбогенераторной установке с применением высокотемпературный паровой конверсии углеводорода (Патент РФ №2269486). Турбогенераторная установка, в которой осуществляют способ получения водородсодержащего газа, содержит горелочную систему с тремя последовательно включенными ступенями, служащими для получения водородсодержащего газа. В первой ступени установки производят смешивание 70% H₂O (воды) и 30% топлива углеводородного ряда C_nH_2n+2 (дизельное топливо или мазут). Эту смесь нагревают от импульсного теплоисточника до 500°С и получают газопаровую смесь перегретого пара и углеводородного газа. В горелочную систему второй ступени подают эту газопаровую смесь и воздух, зажигают ее от импульсного источника, повышают температуру продуктов сгорания смеси до 1000°С и подают их в третью ступень горел очной системы, где производят дожигание газопаровой смеси с повышением ее температуры до 1300°С, при этом в продуктах сгорания, во второй и в третьей ступенях горелочной системы, в результате высокотемпературной паровой конверсии углерода увеличивается количество образующегося водорода с его последующим сгоранием.

Недостатком этого способа является использование в нем жидких топлив, а также сложностью конструкции установки для его реализации и низким давлением получаемого водородсодержащего газа. Эти факторы не позволяют применять этот способ в газотурбинных и парогазовых энергетических установках.

Известен способ работы газотурбинной установки на метаносодержащей парогазовой смеси (Патент РФ №2639397), содержащей компрессор, охлаждаемую камеру сгорания, газовую турбину; теплоту продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, используют для выработки перегретого водяного пара высокого давления, его меньшую часть смешивают с природным газом, пропускают через первый адиабатический каталитический реактор, образовавшуюся в нем метаносодердащую парогазовую смесь нагревают последовательно теплом выхлопных газов газовой турбины, теплом охлаждения камеры сгорания и с температурой 620-680°С подают во второй каталитический реактор, в котором относительную долю водорода в метаносодержащей парогазовой смеси увеличивают выше 20%. Положительным качеством этого способа является экономия топлива получаемая за счет выработки водорода образующегося при паровой конверсии метана.

Этот способ выбран в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Недостатком этого способа является наличие в установке для его реализации двух адибатических каталитических реакторов, которые увеличивают стоимость установки, а также получение при его реализации небольшого количества водорода.

Целью изобретения является повышение топливной экономичности газотурбинных установок и улучшения их экологичности за счет сжигания в камерах сгорания водородсодержащего газа.

Технический результат достигается тем, что в способе получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара, при котором, теплоту продуктов сгорания расширенных в газовой турбине используют для выработки перегретого водяного пара, смешивают его с природным газом, полученную парометановую смесь нагревают, используя теплоту уходящих газов газовой турбины и теплоту охлаждения камеры сгорания газотурбинной установки и подают парометановую смесь в адиабатический каталитический реактор, при чем его осуществляют в три этапа; на первом этапе перегретый пар высокого давления смешивают с природным газом при 2,5-3 МПа, при весовом соотношении пара и природного газа 7:1, полученную парометановую смесь нагревают до температуры 500-550°С теплом уходящих газов газовой турбины, подают в адиабатический каталитический реактор с никелевым катализатором, производят паровую каталитическую конверсию метана в адиабатическом никелевом катализаторе, используя при этом теплоту охлаждения форкамеры, с образованием в адиабатическом каталитическом реакторе с никелевым катализатором паро-метаново-водородной смеси, содержащей до 5% водорода; на втором этапе паро-метаново-водородную смесь и закрученный поток воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинной установки, подают в форкамеру, в горелку которой подают топливный газ, полученную при этом «богатую» топливно-воздушную смесь сжигают при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0.7, повышают температуру продуктов сгорания до 1300-1350°С и увеличивают в них долю водорода до 15-20% в результате происходящей при этом высокотемпературной паровой конверсии метана; на третьем этапе в камеру дожигания подают продукты сгорания из форкамеры и воздух, сжатый в компрессоре, с образованием в ней «бедной» топливно-воздушной смеси, которую сжигают в камере дожигания при коэффициенте избытка воздуха 1,5-2,5, температуру продуктов сгорания увеличивают до 1950-2000°С с повышением доли водорода в продуктах сгорания выше 20%, за счет высокотемпературной паровой конверсии метана, затем в эти продукты сгорания подают сжатый воздух и снижают температуру газа перед газовой турбиной до требуемой.

Предлагаемый способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара может быть реализован в устройстве, содержащем камеру сгорания, адиабатический каталитический реактор, газопровод топливного газа, трубопровод парометановой смеси, при чем камера сгорания снабжена форкамерой и камерой дожигания, дополнительно применены устройство управления, поворотные лопатки, полые завихривающие лопатки с отверстиями, регулирующий клапан, поворотные лопатки и регулирующий клапан связаны импульсными линиями с устройством управления; поворотные лопатки и полые завихривающие лопатки с отверстиями установлены перед форкамерой, в которой устанавлены горелка и импульсная свеча зажигания, форкамера снабжена охлаждающей рубашкой, содержащей никелевый катализатор, форкамера и камера дожигания установлены соосно с воздушным зазором между ними, вход камеры сгорания связан с компрессором, выход камеры сгорания соединен с газовой турбиной, вход охлаждающей рубашки форкамеры соединен с трубопроводом парометановой смеси, а ее выход с входом в форкамеру, газопровод топливного газа связан с горелкой через регулирующий клапан

Схема устройства для реализации способа получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара приведена на Фиг. 1. Здесь: 1 -камера сгорания, 2 -форкамера, 3 - камера дожигания, 4 - поворотные лопатки, 5 - полые завихривающие лопатки с отверстиями, 6 - охлаждающая рубашка, 7 - импульсная свеча зажигания, 8 - горелка, 9 - никелевый катализатор, 10 - устройство управления, 11 - регулирующий клапан, 12 - трубопровод парометановой смеси.

Камера сгорания 1 содержит форкамеру 2 с охлаждающей рубашкой 6, содержащей никелевый катализатор 9, импульсную свечу зажигания 7, горелку 8. На входе в форкамеру 2 установлены поворотные лопатки 4 для регулирования расхода воздуха и полые завихривающие лопатки с отверстиями 5 для выхода метаносодержащей парогазовой смеси, горелка 8, устройство управления 10, используемое для регулирования расхода природного газа в горелки 8 и расхода воздуха, подаваемого в форкамеру 2, связанное с поворотными лопатками 4 и регулирующим клапаном 11 на газопроводе природного газа.

Способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара осуществляют в три последовательных этапа. На первом этапе перегретый пар смешивают с природным газом при давлении 2,5-3 МПа и их весовом соотношении 7:1, полученную метанопаровую смесь нагревают теплом уходящих газов газовой турбины до температуры 500 -550°С и пропускают через никелевый катализатор, размещенный в рубашке охлаждения форкамеры, где производят паровую каталитическую конверсию метана с образованием в смеси 3-5% водорода. На втором этапе эту смесь смешивают с закрученным потоком воздуха и направляют в форкамеру, в ее горелку подают природный газ и воздух, сжатый в компрессоре газотурбинной установки, а полученную при этом «богатую» топливо-воздушную смесь сжигают в форкамере при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7 с повышением температуры продуктов сгорания до 1300-1350°С и с увеличением в них доли водорода до 15-20% за счет высокотемпературной паровой конверсии метана. На третьем этапе способа продукты сгорания, вышедшие из форкамеры, разбавляют сжатым воздухом и образовавшуюся при этом «бедную» топливно-воздушную смесь подают в камеру дожигания, где ее сжигают с повышением температуры продуктов сгорания до 1950-2000°С, затем в полученные продукты сгорания подают сжатый разбавляющий воздух и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной.

Предлагаемый способ позволяет увеличить содержание водорода в топливном газе газотурбинных установок и значительно улучшить их топливную экономичность, а также их экологичность за счет существенного снижения содержания вредных веществ в выхлопных газах газовых турбин.

1. Способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара, при котором теплоту продуктов сгорания, расширенных в газовой турбине, используют для выработки перегретого пара, смешивают его с природным газом, полученную парометановую смесь нагревают, используя теплоту уходящих газов газовой турбины и теплоту охлаждения камеры сгорания газотурбинной установки, и подают парометановую смесь в адиабатический каталитический реактор, отличающийся тем, что его осуществляют в три этапа; на первом этапе перегретый пар высокого давления смешивают с природным газом при 2,5-3 МПа, при весовом соотношении пара и природного газа 7:1, полученную парометановую смесь нагревают до температуры 500-550°С теплом уходящих газов газовой турбины, подают в адиабатический каталитический реактор с никелевым катализатором, производят паровую каталитическую конверсию метана, используя при этом теплоту охлаждения форкамеры, с образованием в адиабатическом каталитическом реакторе с никелевым катализатором парометаново-водородной смеси, содержащей до 5% водорода; на втором этапе парометаново-водородную смесь и закрученный поток воздуха, сжатого в компрессоре газотурбинной установки, подают в форкамеру, в горелку которой подают топливный газ, полученную при этом «богатую» топливно-воздушную смесь сжигают при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7, повышают температуру продуктов сгорания до 1300-1350°С и увеличивают в них долю водорода до 15-20% в результате происходящей при этом высокотемпературной паровой конверсии метана; на третьем этапе в камеру дожигания подают продукты сгорания из форкамеры и воздух, сжатый в компрессоре, с образованием в ней «бедной» топливно-воздушной смеси, которую сжигают в камере дожигания при коэффициенте избытка воздуха 1,5-2,5, температуру продуктов сгорания увеличивают до 1950-2000°С с повышением доли водорода в продуктах сгорания выше 20%, за счет высокотемпературной паровой конверсии метана, затем в эти продукты сгорания подают сжатый воздух и снижают температуру газа перед газовой турбиной до требуемой.

2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее камеру сгорания, адиабатический каталитический реактор, газопровод топливного газа, трубопровод парометановой смеси, отличающееся тем, что камера сгорания снабжена форкамерой и камерой дожигания, долнительно применены устройство управления, поворотные лопатки, полые завихривающие лопатки с отверстиями, регулирующий клапан, поворотные лопатки и регулирующий клапан связаны импульсными линиями с устройством управления; поворотные лопатки и полые завихривающие лопатки с отверстиями установлены перед форкамерой, в которой установлены горелка и импульсная свеча зажигания, форкамера снабжена охлаждающей рубашкой, содержащей адиабатический каталитический реактор с никелевым катализатором, форкамера и камера дожигания установлены соосно с воздушным зазором между ними, вход камеры сгорания связан с компрессором, выход камеры сгорания соединен с газовой турбиной, вход охлаждающей рубашки форкамеры соединен с трубопроводом парометановой смеси, а ее выход с входом в форкамеру, газопровод топливного газа связан с горелкой через регулирующий клапан.