Комплекс по производству и отгрузке водорода и заправке им транспортных средств
Изобретение относится к области производства и хранения низкоуглеродного водорода и его реализации в качестве топлива. Комплекс по производству и отгрузке водорода и заправке им транспортных средств включает установку производства водорода на основе технологии пиролиза метана, соединенную с источником природного газа, с системой подготовки технического углерода и блоком выделения водорода, подключенного к блоку распределения газовых потоков и компримирования. Блок распределения газовых потоков и компримирования соединен параллельно с системой заправки транспортных средств и с системой хранения и отгрузки водорода. Система хранения и отгрузки водорода представляет собой набор емкостей, выполненных с возможностью транспортировки. Достигается повышение эффективности процесса производства, отгрузки водорода и заправки им транспортных средств, а также расширение функциональных возможностей. 1 ил.
Изобретение относится к области производства и хранения низкоуглеродного водорода и его реализации в качестве топлива для заправки транспортных средств и/или в качестве самостоятельного продукта.
К 2050 году водород может составить 18% от общей потребляемой «конечной» энергии в мире и его использование в качестве топлива позволит перевести значительную часть транспорта на водород, что уменьшит ежегодные выбросы углекислого газа (СО2) примерно на шесть гигатонн, по сравнению с сегодняшним уровнем. Перевод транспортных средств на водород является одним из путей, ведущих к полной декарбонизации транспорта в городах и обеспечит примерно 20% от того сокращения выбросов, которое необходимо для ограничения глобального потепления до двух градусов по Цельсию.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является комплекс по производству и поставке водородосодержащего топлива в заправочные станции для транспортных средств (патент РФ №2760879, B65G 5/00, опубл. 01.12.2021), содержащий магистральный трубопровод природного газа, установку по производству водородсодержащей смеси, соединенную с магистральным трубопроводом природного газа, разделительный блок для выделения CO2, соединенный с установкой по производству водородсодержащей смеси и с по меньшей мере одной заправочной станцией транспортных средств для подачи очищенной водородсодержащей смеси. Комплекс дополнительно содержит по меньшей мере одну скважину для закачки СО2, по меньшей мере одно хранилище водородсодержащей смеси и блок разделения водородсодержащей смеси на отдельные компоненты для получения водорода.
Недостатком известного комплекса является наличие выбросов CO2, образующихся в результате использования технологии паровой конверсии метана для получения водорода, что обусловливает необходимость его утилизации путем закачки под землю с предварительным проведением геологоразведки территории. Кроме того, отсутствие возможности транспортировки водорода до потребителя (второй, третьей и т.д. заправки) в емкостях увеличивает фугитивные потери и энергетические затраты на его прокачку по трубопроводу.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание эффективного комплекса по производству водорода с использованием технологий пиролиза метана, отгрузке и заправке им транспортных средств.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение эффективности процесса производства, отгрузки водорода и заправки им транспортных средств за счет исключения необходимости улавливания и утилизации CO2 с предварительным проведением геологоразведки территории комплекса и снижения затрат путем реализации получаемого в качестве побочного продукта технического углерода, а также расширение функциональных возможностей за счет транспортировки водорода в емкостях.
Указанный технический результат достигается за счет того, что комплекс по производству и отгрузке водорода и заправке им транспортных средств включает установку производства водорода на основе технологии пиролиза метана, соединенную с источником природного газа, с системой подготовки технического углерода и блоком выделения водорода, подключенного к блоку распределения газовых потоков и компримирования. Блок распределения газовых потоков и компримирования соединен параллельно с системой заправки транспортных средств и с системой хранения и отгрузки водорода. Система хранения и отгрузки водорода представляет собой набор емкостей, выполненных с возможностью транспортировки.
На чертеже представлена общая схема предлагаемого комплекса.
Комплекс по производству и отгрузке водорода и заправке им транспортных средств содержит установку производства водорода 1, к которой подключен источник природного газа. В зависимости от типа источника и качества подаваемого природного газа установка производства водорода 1 включает блоки подготовки природного газа (систему фильтров/сепараторов для удаления механических примесей и/или блок сероочистки и/или блок осушки газа) и реактор, где реализуется одна из технологий пиролиза метана (термический пиролиз, каталитический пиролиз, плазменный пиролиз и пиролиз в расплавах металлов) с образованием водородсодержащей смеси и твердого углеродного материала.
Примером термического пиролиза может служить существующее производство термического углерода за счет природного газа в газогенераторах. Производство ведется в нескольких блоках газогенераторов циклами по стадиям: разогрев, пиролиз, продувка/регенерация. После газогенераторов углеродный золь захолаживается непосредственным впрыском воды. Взвешенные частицы отбиваются на циклонных фильтрах. Содержание водорода в пиролизных газах достигает 90% (по сухому газу).
Для технологии плазменного пиролиза может быть использован, например, проточный реактор, выполненный из трубчатого радиопрозрачного термостойкого материала (например, кварцевого стекла) с раздельными входом углеводородного газа и выходом углерода и водорода, заполненный веществом - инициатором в ассоциированном (уплотненном) состоянии (например, железными опилками), снабженный концентратором сверхвысокочастотного электромагнитного поля и помещенный в сверхвысокочастотный волновод прямоугольного сечения перпендикулярно его широким стенкам, который связан с источником энергии сверхвысокочастотного электромагнитного поля. На вход реактора подается углеводородный газ после предварительной продувки реактора азотом; на вход волновода - энергия от сверхвысокочастотного источника (магнетрона), работающего в непрерывном режиме. Действие плазмы на углеводородный газ приводит к разогреву газа и образованию непредельных углеводородов (этилен, ацетилен), а также активных частиц (радикалов, ионов, возбужденных молекул). Конвертированные и оставшиеся газы, углеводородные продукты выносятся плазмой в зону концентратора СВЧ электромагнитного поля, где и происходит окончательное разложение непредельных углеводородов на углерод и водород. (См. описание патента RU 2393988 С1).
В случае реализации технологии пиролиза в расплавах металлов или солей природный газ подается в реактор снизу через пористый материал в объем расплава, реакция происходит на поверхности пузырьков газа. Степень конверсии увеличивается при уменьшении диаметра пузырьков и увеличении времени их прохождения через расплав. Сам реактор содержит U-образный сосуд из кварца, помещенный в печь, которая обеспечивает поддержание необходимой температуры процесса за счет электронагревателей или сжигания части природного газа, также он предусматривает расположение системы для поддержания уровня расплава в виде дополнительной емкости, в которой происходит расплавление необходимого количества вещества с дальнейшим его подмешиванием через термостойкую трубу. В верхней части реактора располагается отверстие для образующейся водородсодержащей газовой смеси, после которого она подвергается охлаждению и очистке от взвешенных частиц сажи. Образующийся углерод собирается на поверхности расплава за счет разницы плотностей и удаляется из реактора самотеком по термостойкой системе труб с рядом редукционных клапанов, обеспечивающих сброс избыточного давления. Подобная система используется при удалении шлака из доменных печей (https://doi.org/10.1016/i.ijhydene.2020.11.079).
Установка производства водорода 1 соединена с блоком выделения водорода 2, предназначенным для выделения водорода с применением технологии короткоцикловой адсорбции или мембран (например, производства российской научно-производственной компании «Грасис»).
Блок выделения водорода 2 подключен к блоку распределения газовых потоков и компримирования 3, который соединен параллельно с системой заправки транспортных средств 4 и системой хранения и отгрузки водорода 5.
Блок распределения газовых потоков и компримирования 3 выполнен в виде системы трубопроводов и компрессоров, снабженных запорной арматурой и датчиками давления, позволяющей распределять водород между системой заправки транспортных средств 4 и системой хранения и отгрузки водорода 5, с возможностью направления части газа на собственные нужды (использование водородных топливных элементов).
Система заправки транспортных средств 4 включает в себя блок предварительного охлаждения водорода для заправки при высоких давлениях и непосредственно систему заправки транспорта (можно использовать, например, системы производства компаний Tatsuno, Linde, Air Liquide, Haskel).
Система хранения и отгрузки водорода 5 выполнена в виде моноблоков, представляющих собой набор емкостей, собранных на единой раме и соединенных трубопроводами, снабженными запорной арматурой, позволяющей производить закачку водорода и его последующий отпуск. В качестве емкостей, в зависимости от требований предъявляемых локальными потребителями и режимов работы системы заправки транспортных средств, могут применяться баллоны с рабочим давлением до 90 МПа.
Установка производства водорода 1 также соединена с системой подготовки технического углерода 6, в которой технический углерод осушается за счет тепла, полученного в установке производства водорода 1 (например, с использованием технологий, существующих на предприятиях по производству технического углерода).
Все элементы комплекса соединены трубопроводами (на чертеже не показаны).
Предлагаемый комплекс работает следующим образом.
Природный газ подается на вход установки производства водорода 1:
- из магистрального газопровода;
- компримированный из привозимых емкостей;
- сырой природный газ и его фракции;
- сжиженный природный газ;
- подготовленный природный газ с автомобильной газонаполнительной компрессорной станции (в случае расположения предлагаемого комплекса вблизи или на ее территории),
где после очистки и осушки осуществляют его разложение (на основе технологии пиролиза метана) на водородсодержащую газовую смесь и твердый углеродный материал. Полученная водородсодержащая газовая смесь подается в блок выделения водорода 2, где происходит отделение чистого водорода, а остающаяся газовая смесь направляется на рецикл, на сжигание или используется на собственные нужды. Далее чистый водород направляется в блок распределения газовых потоков и компримирования 3, где разделяется на два потока, один из которых направляется в систему заправки транспортных средств 4, а другой - в систему хранения и отгрузки водорода 5. Блок распределения газовых потоков и компримирования 3, система заправки транспортных средств 4 и система хранения и отгрузки водорода 5 входят в состав заправочной станции. При этом система хранения и отгрузки водорода 5 располагается на территории заправочной станции, что обеспечивает надежность поставок водорода в систему заправки транспортных средств 4. Кроме того, в системе хранения и отгрузки водорода 5 водород после дополнительного компримирования хранится под давлением в емкостях, установленных в транспортируемых блоках, что позволяет осуществлять отгрузку товарного водорода для его дальнейшей транспортировки к месту реализации. Объем хранения водорода определяется, исходя из потенциального объема реализации водорода на заправку транспортных средств и поставок локальным потребителям. Твердый углеродный материал, получаемый в качестве побочного продукта в установке производства водорода 1, осушается за счет тепла с упомянутой установки и складируется в системе подготовки технического углерода 6 для его дальнейшей отправки к месту потребления или утилизации.
Предлагаемое изобретение позволяет исключить необходимость улавливания и утилизации CO2 с предварительным проведением геологоразведки территории комплекса, снизить затраты путем реализации получаемого в качестве побочного продукта технического углерода, а также обеспечивает возможность транспортировки водорода до потребителя в моноблоках, что позволяет повысить эффективность процесса производства, отгрузки водорода и заправки им транспортных средств.
Комплекс по производству и отгрузке водорода и заправке им транспортных средств, включающий установку производства водорода на основе технологии пиролиза метана, соединенную с источником природного газа, с системой подготовки технического углерода и блоком выделения водорода, подключенного к блоку распределения газовых потоков и компримирования, который соединен параллельно с системой заправки транспортных средств и с системой хранения и отгрузки водорода, при этом система хранения и отгрузки водорода представляет собой набор емкостей, выполненных с возможностью транспортировки.
