Способы получения газа топлива

Способ получения газообразного топлива

Владельцы патента RU 2349633:

Изобретение относится к области получения газообразного топлива из древесного сырья и может быть использовано для получения тепла, электроэнергии и синтетического жидкого топлива. Способ получения газообразного топлива включает нагрев древесного сырья и последующую обработку полученного карбонизата водяным паром, причем нагрев древесины до температуры 800-1100°С осуществляют в течение не более 3-х минут при расходе пара 0,26-0,49 кг на 1 кг абсолютно сухой древесины. Предлагаемый способ позволяет увеличить энерговыход не менее чем на 30,4%, сократить продолжительность процесса и уменьшить расход пара, что приводит к снижению себестоимости газообразного топлива. 1 табл.

Изобретение относится к области получения газообразного топлива из древесного сырья и может быть использовано для получения тепла, электроэнергии и синтетического жидкого топлива.

Известен способ получения газообразного топлива с нисходящим движением парогазов, включающий нагрев древесной щепы и обработку полученного карбонизата паровоздушной смесью (Лямин В.А. Газификация древесины. 1967 г., стр.18). Продолжительность процесса 3 часа. Выход газообразного топлива составляет 1,6 3 м на один килограмм абсолютно сухой древесины (а.с.д.), теплотворная способность 7 МДж/м 3 . Достигаемый энерговыход 11,3 МДж/кг_а.с.д., т.е. 59,7% от теплотворной способности древесины (18,9 МДж/кг_а.с.д.). Недостатком являются низкие теплотворная способность газообразного топлива и энерговыход. Предлагаемое изобретение является продолжением исследовательских работ в области разработки и совершенствования способов получения газообразного топлива. Прототипом предлагаемого является способ получения газообразного топлива, описанный в Патенте РФ №2238962, созданный разработчиками ЦНИЛХИ.

Известный способ включает нагрев древесного сырья до температуры 900-1100°С и последующую обработку образующегося при терморазложении древесины карбонизата водяным паром. Продолжительность нагрева древесины 9-35 минут (скорость нагрева 31-122°С/мин). При этом происходит терморазложение древесины с образованием парогазов и карбонизата, который при повышении температуры до 900-1100°С взаимодействует с водяным паром с образованием горючих газов (газификация). Выход газообразного топлива по известному способу составляет 1,32-1,39 л на грамм абсолютно сухой древесины (а.с.д.) или 1,32-1,39 м 3 /кг_а.с.д.. Теплотворная способность — 11,7 МДж/м 3 . Достигаемый энерговыход — 15,1 МДж/кг_а.с.д. не менее 80% от теплотворной способности древесины (18,9 МДж/кг_а.с.д.).

Недостатком способа является низкий энерговыход осуществляемого процесса.

Целью настоящего изобретения является усовершенствование способа для повышения энерговыхода.

Поставленная цель достигается описываемым способом, включающим нагрев древесного сырья до температуры 800-1100°С в течение не более 3-х минут, (скорость не менее 350°С в минуту), что обеспечивает завершение процесса терморазложения древесины при этой температуре (800-1100°С), обработку образующегося карбонизата водяным паром в количестве 0,26-0,49 кг/кг_а.с.д. при указанной температуре в течение 8-40 минут.

Отличия предлагаемого способа от прототипа заключаются в следующем:

— нагрев древесины осуществляют с большей скоростью в течение не более 3-х минут,

— расход воды на получение пара уменьшен и находится в пределах от 0,26 до 0,49 кг/кг_а.с.д..

Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Древесную щепу нагревают до температуры 800-1100°С в течение не более 3-х минут, при этом скорость нагрева составляет не менее 350°С в минуту. На образующийся карбонизат подают водяной пар в количестве 0,26-0,49 кг/кг_а.c.д.. Получающийся при взаимодействии карбонизата с водяным паром газ (включающий водород от разложения воды), объединенный с парогазами термораспада древесины, образующимися при ее нагреве, поступает в холодильник, где охлаждается и конденсируется.

Неконденсирующиеся газы представляют собой газообразное топливо.

Предлагаемый способ может быть проиллюстрирован примерами, которые сведены в таблицу.

Выход газообразного топлива при газификации древесины при Т=800°С от продолжительности нагрева и расхода воды.
П.н.	Продолжительность нагрева древесины (мин)	Расход воды, (кг/кга.с.д)	Выход газа, (м 3 /кга.с.д.)	Теплотворная способность (кДж/м 3 )	Энерговыход, (кДж/кга.с.д.)	% от теплотворной способности древесины
1	0,83 (50 сек)	0,35	1,60	12364	20742	110,0
2	1,0	0,35	1,66	11800	19644	104,2
3	1,5	0,35	1,67	11795	19694	104,2
4	4	0,7	1,36	10748	14617	77,2
5	2,3	0,49	1,64	12039	19744	104,5
6	2,3	0,26	1,61	12567	20233	106,9
7	2,3	0,53	1,52	11294	17167	91,0
8	2,3	0,2	1,4	11874	16624	87,9

В соответствии с Примером 1 древесную щепу с размером частиц 5-15 мм, влажностью 11,5% и массой 100 г нагревают до температуры 800°С в течение 0,83 минут (50 сек), скорость нагрева составляет 530°С. На образующийся карбонизат подают водяной пар в количестве 0,35 кг/кг_а.с.д. в течение 20 минут. Объединенные от разложения древесной щепы при ее нагревании и полученные взаимодействием карбонизата с водяным паром парогазы направляются в холодильник для охлаждения и конденсации паров. Выход газа при данных условиях составляет 1,60 м 3 /кг от абсолютно сухой древесины (а.с.д.), теплотворная способность — 12364 кДж/м 3 . При этом энерговыход достигает — 20742 кДж/кг_а.с.д., что составляет 110,0% от теплотворной способности древесины.

При получении газообразного топлива по заявленному способу (скорость нагрева 350°С) при том же расходе водяного пара 0,35 кг/кг_а.с.д. снижается энерговыход до 19694 кДж/кг_а.с.д. из-за снижения теплотворной способности газообразного топлива до 11795 кДж/мл Пример 3).

При осуществлении процесса по заявленному способу в течение более 3-х минут, например 4 мин (скорость нагрева 250°С), энерговыход уменьшается до 14617 кДж/кг_а.с.д.; даже при оптимальном расходе воды — 0,7 кг/кг_а.с.д. для этой продолжительности нагрева древесины. Снижение энерговыхода происходит, так как снижается теплотворная способность газообразного топлива до 10748 кДж/м 3 (Пример 4).

При получении газообразного топлива по заявленному способу (скорость нагрева 350°С) при расходе водяного пара менее 0,26 кг/кг_а.с.д. например 0,2 кг/кг_а.с.д., снижается энерговыход до 16624 кДж/кг_а.с.д. из-за уменьшения выхода газообразного топлива до

1,4 м 3 /кг_а.с.д. (Пример 8).

В случае расхода пара более 0,49 кг/кг_а.с.д., например 0,53 кг/кг_а.с.д., энерговыход уменьшается до 17167 кДж/кг_а.с.д. за счет снижения теплотворной способности газообразного топлива до 11294 кДж/м (Пример 7).

Наилучшие характеристики газа получены при расходе воды от 0,26 до 0,49 кг/кг_а.с.д. при продолжительности нагрева 2,3 минуты, при скорости нагрева 350°С (Примеры 5 и 6).

При проведении процесса при температуре 900-1100°С и продолжительности нагрева не более 3-х минут (скорость нагрева 350°С) энерговыход составляет 19693-20531 кДж/кг_а.с.д.

Преимущества предлагаемого способа заключаются:

— В увеличении энерговыхода не менее чем на 30,4% по сравнению с прототипом, что составляет не менее 104,2% от теплотворной способности древесины (18,9 МДж/кг_а.с.д.). Увеличение энерговыхода более 100% происходит благодаря выделению водорода (Н₂) при разложении воды в результате взаимодействия карбонизата с водяным паром.

— В снижении расхода воды на получение пара, что приводит к уменьшению себестоимости получаемого продукта (газообразного топлива), за счет снижения затрат на парообразование.

— В уменьшении времени осуществления всего процесса, что ведет к снижению себестоимости.

— В снижении температуры начала процесса газификации на 100°С до 800°С.

На данный момент в ЦЕИЛХИ закончена лабораторная проработка предложенного способа. Создана опытная установка, на которой подтверждены результаты лабораторных исследований и получены экспериментальные данные для разработки исходных данных на проектирование опытно-промышленной установки получения газообразного топлива.

Предлагаемый способ получения газообразного топлива из древесины вызвал интерес нескольких организаций: компания Энко-Инвест, г.Ростов-на-Дону, инвестиционная компания «Аврора», г.Москва. В ходе переговоров получено согласие на создание опытно-промышленной установки.

Способ получения газообразного топлива, включающий нагрев древесного сырья и последующую обработку полученного карбонизата водяным паром, отличающийся тем, что нагрев древесины до температуры 800-1100°С осуществляют в течение не более 3-х мин при расходе пара 0,26-0,49 кг на 1 кг абсолютно сухой древесины.

Источник

Природный газ: свойства, способы добычи и производства

Природный газ представляет собой газообразную смесь углеводородов естественного происхождения, находящую широкое применение в качестве горючего.

Способы добычи

Так как природный газ (очень часто его также называют голубым топливом) залегает на достаточно большой глубине под землёй: 1-6 км, то для его добычи требуется выполнение целого ряда инженерно-технических мероприятий.

Под естественным давлением

В земных недрах, газ располагается в пустотах, соединённых между собой трещинам. Причём находится он там под очень высоким давлением, значительно превышающим давление атмосферы на поверхности земли.

В результате бурения скважины (для выравнивания давления и увеличения потока, обычно бурят несколько равномерно расположенных скважин на территории месторождения), выкладываемой затем обсадными трубами, залитыми снаружи цементом, возникает естественная тяга. Тем самым ценнейшее природное топливо выходит наружу, где подвергается очистке и дальнейшей поставке потребителям.

Из угледобывающих шахт

С развитием прогресса, специалисты ищут возможности не только нейтрализовать некоторые опасные вредные производственные факторы, но и употреблять их для практической пользы.

Одним из таких достижений стала утилизация метана, выделяющегося в угольных шахтах. С углублением выработки, количество этого газа резко возрастает, создавая опасность взрывов и удушения персонала. Длительное время метан просто удаляли, вместо того чтобы использовать.

Однако столь ценное топливо гораздо лучше утилизировать и применять по прямому назначению, что и было осуществлено двумя следующими способами:

• Активной откачкой вакуумными насосами с дальнейшим накоплением в ёмкостях.
• Пассивным методом с помощью изоляции мест газовых выделений. Из них потом метан или выводят наружу, или доводят до безопасной концентрации путём разбавления.

Метод добычи метана из угольных шахт нашёл широкое применение в США.

Гидроразрыв

Способ, с помощью которого добытчики голубого топлива пытаются в значительной степени увеличить производительность скважин. Путём открытия доступа к неосвоенным или недостаточно освоенным участкам залежей в месте уже организованной добычи. Внутрь существующей скважины под высоким давлением поступает вода, песок, химикалии. Это приводит к гидравлическому разрыву пласта, сопровождающемуся бурным выходом природного газа.

Несмотря на свою высокую эффективность, данный метод вызывает сейсмическую активность, сильнейшее загрязнение почвенных вод, выход из-под земли вредных газов, повышение радиоактивности. Неудивительно, поэтому его запрещение на территории ряда государств мира.

Под водой

Огромные запасы голубого топлива расположены в прибрежных зонах морей и океанов. Хотя данный метод и требует строительства очень дорогих гравитационных платформ с развитой инфраструктурой, тем не менее, способ находит всё более широкое распространение.

Более того, осваивается добыча газа вообще без строительства надводных сооружений: напрямую от подводных установок к береговому комплексу. Примером может служить Киринское месторождение на шельфе острова Сахалин, запущенное несколько лет назад в эксплуатацию. Столь удачная уникальная разработка даёт возможность освоения подводных месторождений находящихся под толщей льда.

Если же залежи природного газа располагаются вблизи берегов, то уместным становится наклонное бурение, начатое на суше.

Газ, получаемый промышленными методами

Помимо естественных способов получения газообразного топлива, существуют и искусственные. В основе газов, получаемых промышленными методами, лежат природные углеводороды. Не удивительно, что свои названия они получили от исходных материалов, представляющих собой жидкое или твёрдое топливо:

• Нефтяные газы – продукты перегонки нефти или результат стабилизации газового бензина (газолина). В процессе нефтедобычи также выделяется значительное количество попутного газа. Хотя по своему химическому составу те и другие мало чем отличаются друг от друга (пропан, бутан, изобутан), природа их возникновения несколько различна.
• Коксовый газ – побочный продукт получения кокса путём высокотемпературной дегазации. При более низких температурах аналогичного процесса вырабатывается городской газ.
• Сланцевый газ также получается высокотемпературным воздействием на сланец без доступа воздуха.
• Генераторный газ получил своё название от газогенераторов, перерабатывающих древесину, каменный уголь или торф в газы под воздействием пара или воздуха при температуре в 1000 0 C.

Процессы переработки

Вспомогательные

Сепарация

Первоначальное нахождение природного газа в естественной природной среде приводит к загрязнению его разнообразными жидкостями и твёрдыми механическими образованиями. Понятно, что в таком виде он не пригоден для транспортировки и дальнейшего использования.

Для очистки голубого топлива используется сепарация, то есть разделение исходной массы на газообразную, жидкую и твёрдую составляющие с последующим удалением жидкости и твёрдых частиц. В основе физики этого процесса лежит силовое воздействие гравитации или инерции на движущиеся среды, обладающие различным удельным весом.

Абсорбционная сушка

Суть абсорбционной осушки природного газа заключается в использовании некоторых жидкостей (сорбентов) для поглощения находящейся в нём влаги. В качестве таких поглотителей используют гликоли (в России наибольшее распространение получил диэтиленгликоль – ДЭГ). Как правило, гликоли не токсичны, стабильны в своём использовании, не отказывают какого-либо вредного воздействия на само очищаемое вещество и обладают возможностью достаточного простой технологической схемы восстановления.

Внутри сосуда-абсорбера происходит противоток газа (движется вверх) и абсорбента (стекает вниз), в результате которого голубое топливо осушается, а впитавший в себя влагу абсорбент выходит из цилиндра и отправляется на регенерацию.

Основные

Выделения кислых компонентов

Находящийся в естественном состоянии природный газ подвержен всякого рода загрязнениям. В их числе: углекислый газ, сероводород, угарный газ, сернистый газ. Эти примеси провоцируют коррозию, а также снижают энергетические качества углеводородного топлива.

Для выделения кислых компонентов применяют сухие и мокрые способы. В первом способе используются:

• активированный уголь,
• гидрат окиси железа,
• марганцевые руды.

Во втором случае применяются:

Принцип очистки основывается на различной степени растворимости веществ в составе природного газа.

Разделение углеводородных газов на фракции

Разделение газов производится с целью получения целого набора компонентов: редких газов, лёгких углеводородов, топливных газов, сырья для изготовления продукции химической отрасли. Осуществляют данный процесс в местах добычи или на промышленных предприятиях. В основу технологии разделения положены следующие физико-химические процессы:

• Абсорбция.
• Адсорбция.
• Хемосорбция.
• Компрессия.
• Конденсация.
• Низкотемпературная ректификация.
• Комбинированные методы.

Современные газофракционирующие установки позволяют полностью автоматизировать процессы разделения с целью получения точного сырья должной степени концентрации.

Хранение и транспортировка

Хранение природного газа производится:

• В мокрых газгольдерах или газгольдерах высокого давления.Первые имеют стабильное давление при переменном объёме хранения. Вторые – наоборот. Так как, и те и другие требуют значительных капитальных затрат и не обеспечивают сезонные колебания уровня потребления, то в настоящее время строительство новых газгольдеров приостановлено.
• На концевых участках магистральных газопроводов, выступающих в качестве своеобразных временных накопителей в ночное время суток.
• В надземных и подземных хранилищах. Достаточно часто в качестве их используют пустые полости бывших месторождений, а также искусственно сооружённые пустоты на месте водоносных пластов.
• Кроме того, газ хранят в изотермических резервуарах и ёмкостях шарообразной или цилиндрической формы, которые изготавливают из материалов, обладающих малой степенью температурного расширения.

Транспортировку газа осуществляют в основном газопроводами, а также автотранспортом в цистернах или баллонах. В случае наличия удобных водных путей – пользуются танкерами.

Сфера применения

В основе всемирного глобального использования природного газа лежат две уникальные особенности этого набора углеводородов: выделение значительного количества тепла при сгорании – голубое топливо, возможность транспортировки на значительные расстояния гигантских объёмов при незначительных текущих затратах. Он также применяется в качестве сырья для получения целого набора веществ, употребляемых в химической отрасли.

Месторождения в России и мире

Пятёрку «супергигантских» мировых месторождений возглавляют:

• Южный парс/Северное, расположенное на территории Ирана и Катара – 28 трлн. м 3 .
• Галканыш (ЮжныйИолотань) – Туркмения. Запасы: 21,4 трлн. м 3 .
• Уренгойское – Россия. 10,2 трлн. м 3 .
• Хейнсвиль – США. 7 трлн. м 3 .
• Ямбургское – Россия. 5,2 трлн. м 3 .

Также крупнейшие месторождения (до 5 трлн. м 3 ) имеются на территориях Алжира, Нидерландов, Казахстана и Азербайджана.

Мировые запасы

Общий объём голубого топлива в мире на 2020 год оценивается в 196,8 трлн. м 3 . Значительная часть его расположена в странах Ближнего и Среднего Востока, на территории СНГ, а также в Африке. Не удивительно поэтому, что доказанные запасы России составляют по одним источникам 47,8 трлн. м 3 , по другим – 38,0 трлн. м 3 . Учитывая сложность оценки и большую погрешность, это нормально, и лишь доказывает, что наша страна располагает пятой частью мировых запасов голубого топлива.

Страны, добывающие газ

Крупнейшими странами по добыче природного газа на начало 2020 года являлись:

• США – 920,9 млрд. м 3 .
• Россия – 679 млрд. м 3 .
• Иран – 244,2 млрд. м 3 .
• Катар – 178,1 млрд. м 3 .
• Китай – 177,6 млрд. м 3 .

Выход в последние годы на первое место Соединённых Штатов можно объяснить политической конъюнктурой современности и сланцевой революцией. Однако сколь долго продлится такое соотношение объёмов газодобычи, покажет самое ближайшее будущее.

Источник