RU2520475C1 - Method of converting solar energy into chemical and its accumulation in hydrogen-containing products - Google Patents
Method of converting solar energy into chemical and its accumulation in hydrogen-containing products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2520475C1 RU2520475C1 RU2012148151/05A RU2012148151A RU2520475C1 RU 2520475 C1 RU2520475 C1 RU 2520475C1 RU 2012148151/05 A RU2012148151/05 A RU 2012148151/05A RU 2012148151 A RU2012148151 A RU 2012148151A RU 2520475 C1 RU2520475 C1 RU 2520475C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- synthesis
- oxygen
- synthesis gas
- hydrogen
- hydrocarbons
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
- Y02P80/20—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications using renewable energy
Abstract
Description
Изобретение относится к способу преобразования солнечной энергии в химическую и может быть использовано для аккумулирования ее в водородсодержащих продуктах путем получения углеводородов из продуктов газификации растительного биотоплива, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии, в системах производства топлива для транспорта и в стационарных энергоустановках.The invention relates to a method for converting solar energy into chemical energy and can be used to accumulate it in hydrogen-containing products by producing hydrocarbons from gasification products of vegetable biofuels, as well as in energy storage and transport systems, in fuel production systems for transport and in stationary power plants.
Солнечная энергия - основной энергоресурс на нашей планете: приблизительно 7×1017 кВт·ч/год достигает поверхности Земли, что примерно в 10000 раз больше, чем фактически используется земной цивилизацией (на мировом коммерческом рынке покупается и продается чуть меньше 8,5×1013 кВт·ч энергии в год). Практически все возобновляемые виды энергии, используемые на Земле, формируются за счет солнечной энергии, включая ветровую и гидроэнергетику, получение биотоплива и использование тепловых ресурсов океанов.Solar energy is the main energy resource on our planet: approximately 7 × 10 17 kWh / year reaches the Earth’s surface, which is about 10,000 times more than what is actually used by terrestrial civilization (a little less than 8.5 × 10 is bought and sold on the world commercial market 13 kWh of energy per year). Almost all renewable types of energy used on Earth are generated by solar energy, including wind and hydropower, biofuels and the use of thermal resources of the oceans.
Наряду с фотоэлектрическими преобразователями энергии наиболее подходящим источником для получения водородсодержащих продуктов является растительное биотопливо, уже содержащее связанные водород и углерод, полученные из воды и углекислого газа с помощью солнечной энергии.Along with photovoltaic energy converters, the most suitable source for producing hydrogen-containing products is vegetable biofuel, which already contains bound hydrogen and carbon obtained from water and carbon dioxide using solar energy.
Известен способ получения биодизельного топлива, включающий предварительную обработку растительного материала с получением липидов, трансэстерификацию полученных липидов и отделение получившегося биодизельного топлива, отличающийся тем, что в качестве растительного материала используют морские водоросли, предварительная обработка которых включает сбор водорослей, высушивание их на воздухе, измельчение и приготовление биомассы, которую подвергают химическому и ферментативному гидролизу для инициирования распада биомассы, затем фильтруют с отделением твердой фазы, сушат и получают из нее липиды, причем трансэстерификацию полученных липидов проводят обезвоженным раствором метилата калия или натрия в метаноле и получается биодизель, пригодный для использования в зимних условиях (Патент RU2404229, опубл. 20.11.2010, Бюл. №32). Недостатком этого способа является сложность ввода и вывода химических реагентов в процесс, его низкая объемная производительность, необходимость фильтрации и очистки конечного продукта, сброса отходов в окружающую среду.A known method of producing biodiesel fuel, including pre-treatment of plant material to obtain lipids, transesterification of the obtained lipids and separation of the resulting biodiesel fuel, characterized in that the algae are used as plant material, the pre-treatment of which involves collecting algae, drying them in air, grinding and preparation of biomass, which is subjected to chemical and enzymatic hydrolysis to initiate the decomposition of biomass, then it is filtered to separate the solid phase, dried and lipids obtained from it, and the transesterification of the obtained lipids is carried out with a dehydrated solution of potassium or sodium methylate in methanol and a biodiesel suitable for use in winter conditions is obtained (Patent RU2404229, published on November 20, 2010, Bull. No. 32 ) The disadvantage of this method is the complexity of the input and output of chemical reagents in the process, its low volumetric productivity, the need for filtering and purification of the final product, dumping waste into the environment.
Известен способ производства водорода и диоксида углерода из биомассы, в частности из бурых водорослей, заключающийся в том, что бурые водоросли перерабатывают в метан с использованием ферментов, растворяющих биомассу, отличающийся тем, что в качестве биомассы используют бурые водоросли, которые собирают в Саргассовом море Атлантического океана, основные технологические процессы производства водорода и диоксида углерода производят на корабле-плавбазе в Саргассовом море, а сбор и подачу бурых водорослей на плавбазу производят с помощью траулеров-сборщиков, причем разделение водорода осуществляют с его очисткой на палладиевой мембране и подачей его в модульную систему металлогидридных накопителей водорода, а диоксид углерода собирают в баллоны в сжатом или жидком состоянии, при этом полученные продукты в металлогидридных емкостях и баллонах на транспортных судах доставляют в порты, причем выработку электроэнергии для технологических процессов осуществляют с использованием технологии топливных элементов (патент RU 2282582, опубл. 27.08.2006, Бюл. №24). Недостатком этого способа является сложность и высокая стоимость процесса, его низкая объемная производительность, необходимость фильтрации и очистки водорода и диоксида углерода как конечных продуктов, сброса отходов ферментации в окружающую среду, низкое содержание водорода в металлогидридных накопителях.A known method of producing hydrogen and carbon dioxide from biomass, in particular from brown algae, which consists in the fact that brown algae is processed into methane using enzymes that dissolve the biomass, characterized in that brown algae are collected as biomass, which are collected in the Sargasso Atlantic Sea ocean, the main technological processes for the production of hydrogen and carbon dioxide are carried out on a floating ship in the Sargasso Sea, and the collection and supply of brown algae to the floating base is carried out using y of trawlers-collectors, and the separation of hydrogen is carried out with its purification on a palladium membrane and feeding it into a modular system of metal hydride storage hydrogen, and carbon dioxide is collected in cylinders in a compressed or liquid state, while the resulting products in metal hydride containers and cylinders on transport ships in ports, and the generation of electricity for technological processes is carried out using fuel cell technology (patent RU 2282582, publ. 08/27/2006, Bull. No. 24). The disadvantage of this method is the complexity and high cost of the process, its low volumetric productivity, the need for filtration and purification of hydrogen and carbon dioxide as final products, dumping of fermentation waste into the environment, low hydrogen content in metal hydride storage rings.
Известен также способ получения жидкого углеводородного продукта, такого как биотопливо, из твердой биомассы, включающий:There is also known a method of producing a liquid hydrocarbon product, such as biofuel, from solid biomass, including:
- стадию газификации для газификации твердой биомассы в газификаторе с получением неочищенного синтез-газа,- a gasification step for gasification of solid biomass in a gasifier to produce crude synthesis gas,
- кондиционирование неочищенного синтез-газа для очистки неочищенного синтез-газа с получением очищенного синтез-газа, имеющего молярное соотношение водорода и монооксида углерода в диапазоне от 2,5:1 до 0,5:1, причем- conditioning the crude synthesis gas for purification of the crude synthesis gas to obtain purified synthesis gas having a molar ratio of hydrogen to carbon monoxide in the range from 2.5: 1 to 0.5: 1, and
- одной из стадий кондиционирования является каталитическая обработка в риформере, и- one of the conditioning steps is catalytic treatment in a reformer, and
- использование очищенного синтез-газа для синтеза Фишера-Тропша в реакторе Фишера-Тропша с получением жидкого углеводородного продукта (патент RU 2459857 опубл. 10.12.2011, Бюл. №34 -прототип). В то же время описанный способ обладает рядом недостатков, к которым можно отнести функциональные и экономические ограничения применения способа, связанные с необходимостью создания дорогого и энергоемкого производства кислорода для газификации, низкая термодинамическая эффективность, связанная с необходимостью сброса тепловой энергии при охлаждении продуктов.- use of purified synthesis gas for Fischer-Tropsch synthesis in a Fischer-Tropsch reactor to produce a liquid hydrocarbon product (patent RU 2459857 publ. 10.12.2011, Bull. No. 34 prototype). At the same time, the described method has a number of disadvantages, which include functional and economic limitations of the application of the method associated with the need to create an expensive and energy-intensive production of oxygen for gasification, low thermodynamic efficiency associated with the need to discharge thermal energy when cooling products.
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать новый способ преобразования солнечной энергии, позволяющий снизить тепловые затраты на процесс получения энергоносителей, а также эффективно производить различные энергоносители при отсутствии потребления кислорода из атмосферы.The purpose of the present invention is to create a new method of converting solar energy, which allows to reduce the heat costs of the process of obtaining energy, as well as effectively produce various energy carriers in the absence of oxygen consumption from the atmosphere.
Поставленная задача решается тем, что применяют способ преобразования солнечной энергии в химическую и аккумулирования ее водородсодержащих продуктах, в котором с использованием солнечной энергии производят биомассу, которую подвергают реакции парокислородной каталитической конверсии с получением продуктов реакции, содержащих водород и диоксид углерода, при этом продукты реакции, содержащие водород и диоксид углерода, направляют для получения синтез-газа и кислорода в высокотемпературном электрохимическом процессе, после чего из синтез-газа на катализаторе получают углеводороды, а кислород возвращают в начало процесса на конверсию. Кроме того:The problem is solved in that they apply a method of converting solar energy into chemical energy and accumulating its hydrogen-containing products, in which biomass is produced using solar energy, which is subjected to steam-oxygen catalytic conversion reactions to produce reaction products containing hydrogen and carbon dioxide, while the reaction products containing hydrogen and carbon dioxide, sent to produce synthesis gas and oxygen in a high-temperature electrochemical process, and then from Inteza gas hydrocarbons on the catalyst is prepared, and oxygen is returned to the beginning of the process for conversion. Besides:
- углеводороды используют в производстве биомассы;- hydrocarbons are used in the production of biomass;
- синтез углеводородов проводят при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора на основе металлов, выбранных из группы никель, родий, платина, иридий, палладий, железо, кобальт, рений, рутений, медь, цинк, железо, их смеси или соединения, с отводом выделяющейся при синтезе углеводородов тепловой энергии за счет нагрева теплоносителя;- the synthesis of hydrocarbons is carried out at elevated temperature and pressure in the presence of a catalyst based on metals selected from the group of nickel, rhodium, platinum, iridium, palladium, iron, cobalt, rhenium, ruthenium, copper, zinc, iron, their mixtures or compounds, with a tap thermal energy released during the synthesis of hydrocarbons due to heating of the coolant;
- реакцию парокислородной каталитической конверсии биомассы ведут без подвода тепловой энергии при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора на основе металлов, выбранных из группы никель, родий, платина, иридий, палладий, их смеси или соединения;- the reaction of steam-oxygen catalytic conversion of biomass is carried out without supplying thermal energy at elevated temperature and pressure in the presence of a catalyst based on metals selected from the group of nickel, rhodium, platinum, iridium, palladium, mixtures or compounds thereof;
- с помощью солнечной энергии или при нагреве теплоносителем ведут предварительную сушку биомассы перед конверсией.- using solar energy or when heated with a coolant, the biomass is pre-dried before conversion.
- давление парокислородной каталитической конверсии биомассы выбирают в диапазоне от 0.1 до 7.0 МПа; - the pressure of the vapor-oxygen catalytic conversion of biomass is selected in the range from 0.1 to 7.0 MPa;
- проводят отделение части водорода от синтез-газа за счет адсорбции или мембранного разделения газов.- carry out the separation of part of the hydrogen from the synthesis gas due to adsorption or membrane separation of gases.
- путем регенеративного теплообмена с синтез-газом изменяют температуру углеводородов на выходе процесса их синтеза;- by means of regenerative heat exchange with synthesis gas, the temperature of hydrocarbons at the outlet of the process of their synthesis is changed;
- в качестве рабочего тела используют воду, которую при нагреве испаряют при давлении в диапазоне от 0.1 до 7.0 МПа и направляют на турбину для выработки механической и/или электроэнергии и теплоносителя;- water is used as a working fluid, which is evaporated during heating at a pressure in the range from 0.1 to 7.0 MPa and sent to a turbine to generate mechanical and / or electric energy and coolant;
- после вывода из потока синтез-газа водяного пара проводят удаление из потока диоксида углерода и/или водорода, по меньшей мере, часть которых направляют на смешение с потоком синтез-газа перед и/или между стадиями синтеза углеводородов.- after water vapor is withdrawn from the synthesis gas stream, carbon dioxide and / or hydrogen is removed from the stream, at least a portion of which is directed to mixing with the synthesis gas stream before and / or between the stages of hydrocarbon synthesis.
- перед стадиями синтеза углеводородов проводят очистку синтез-газа от соединений серы;- before the stages of hydrocarbon synthesis, the synthesis gas is purified from sulfur compounds;
давление синтез-газа выбирают в диапазоне от 2.0 до 9.0 МПа; the pressure of the synthesis gas is selected in the range from 2.0 to 9.0 MPa;
- объемное содержание диоксида углерода перед первой стадией синтеза углеводородов поддерживают в диапазоне от 20 до 50% от объемного содержания водорода;- the volume content of carbon dioxide before the first stage of the synthesis of hydrocarbons is maintained in the range from 20 to 50% of the volume content of hydrogen;
- в качестве углеводородов используют алканы, олефины, эфиры, спирты или их смеси;- alkanes, olefins, esters, alcohols or mixtures thereof are used as hydrocarbons;
- в качестве рабочего тела и/или теплоносителя применяют диоксид углерода, выведенный из потока синтез-газа;- carbon dioxide removed from the synthesis gas stream is used as a working fluid and / or coolant;
- в высокотемпературном электрохимическом процессе применяют керамические электроды с протонной или кислородной проводимостью.- in high-temperature electrochemical process, ceramic electrodes with proton or oxygen conductivity are used.
На чертеже дана схема реализации способа, где 1 - сборщик для биотоплива, 2 - аппарат подготовки биотоплива, 3 - поток биотоплива, 4 - парокислородный каталитический реактор конверсии, 5 - парогазовый поток, 6 - высокотемпературный электрохимический конвертер, 7 - подвод электроэнергии, 8 - кислород, 9 - синтез-газ, 10 - установка отделения водорода и/или диоксида углерода и нагрева рабочего тела-воды, 11 - рабочее тело, 12 - турбина, 13 - теплоноситель, 14 - поток синтез-газа, 15 - секционированный каталитический реактор синтеза углеводородов, 16 - поток углеводородов, 17 - хранилище углеводородов, 18 - питающая фракция.The drawing shows a diagram of the implementation of the method, where 1 is a collector for biofuel, 2 is a biofuel preparation apparatus, 3 is a biofuel stream, 4 is a steam-oxygen catalytic conversion reactor, 5 is a steam-gas stream, 6 is a high-temperature electrochemical converter, 7 is a power supply, 8 is oxygen, 9 - synthesis gas, 10 - installation of separation of hydrogen and / or carbon dioxide and heating of the working fluid-water, 11 - working fluid, 12 - turbine, 13 - coolant, 14 - synthesis gas flow, 15 - sectioned catalytic reactor hydrocarbon synthesis, 16 - the flow of carbohydrate odov, 17 - storage of hydrocarbons, 18 - feed fraction.
Примером реализации изобретения служит способ преобразования солнечной энергии, описанный ниже.An example implementation of the invention is the method of converting solar energy, described below.
В излагаемом примере осуществления изобретения в качестве биотоплива применяются водоросли, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам выработки углеводородов и диоксида углерода из бурых водорослей, которые могут быть использованы в рамках концепции альтернативной энергетики, используя современные энерготехнологии.In the described example of the invention, algae are used as biofuel, which allows us to characterize the features of the invention in relation to the production of hydrocarbons and carbon dioxide from brown algae, which can be used as part of the alternative energy concept using modern energy technologies.
Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70-80 млрд т, что примерно на порядок превышает мировые потребности на перспективуThe annual increase in plant biomass on Earth is from 170 to 200 billion tons, counting on dry matter, which in terms of oil equivalent corresponds to about 70-80 billion tons, which is approximately an order of magnitude higher than the world’s needs for the future
Россия имеет огромный биоэнергетический потенциал. Прежде всего это лес, занимающий 60% территории страны и производящий ежегодно почти четверть мирового прироста биомассы.Russia has a huge bioenergy potential. First of all, it is a forest, which occupies 60% of the country's territory and annually produces almost a quarter of the world biomass growth.
Микроводоросли имеют ряд преимуществ перед биотопливными сельхозкультурами: они быстрее растут, содержат больше триглицерида и в отличие от растений не занимают территорию, которую можно отводить для разведения пищевых растений.Microalgae have several advantages over biofuel crops: they grow faster, contain more triglyceride and, unlike plants, do not occupy the territory that can be allocated for breeding food plants.
С использованием солнечной энергии выращивают или собирают на естественных угодьях биомассу, помещая ее в сборщик для биотоплива 1, затем производят подготовку биотоплива (сушку с помощью солнечной энергии или теплоносителя и помол) в аппарате подготовки биотоплива 2 и направляют обезвоженный поток биотоплива 3 в парокислородный каталитический реактор конверсии 4, в котором биотопливо подвергают реакции парокислородной каталитической конверсии с получением продуктов реакции 5, содержащих водород и диоксид углерода. Реакцию парокислородной каталитической конверсии биомассы ведут в реакторе конверсии 4 без подвода тепловой энергии при повышенной температуре и давлении конверсии биомассы в диапазоне от 0.1 до 7.0 МПа в присутствии катализатора на основе металлов, выбранных из группы железо, никель, родий, платина, иридий, палладий, их смеси или соединения. При необходимости повысить выход алканов в реакции конверсии (1) в реактор конверсии 4 подают водород, который отделяют от синтез-газа 9 за счет адсорбции или мембранного разделения газов на выходе из высокотемпературного электрохимического конвертера 6.Using solar energy, biomass is grown or harvested on natural land by placing it in a
Продукты реакции 5, содержащих водород и диоксид углерода, подают в высокотемпературный электрохимический конвертер 6, в котором при подводе электроэнергии 7 производят кислород 8 и синтез-газ 9. Основной реакцией в конвертере 6, наряду с обогащением потока 5 водородом, является электрохимическое разложение содержащегося в потоке 5 диоксида углерода до моноксида углерода, образующего вместе с водородом выходящий из конвертера 6 поток синтез-газа 9, а также кислорода 8, поступающего через керамический электролит на анод конвертера 6. Произведенный в конвертере 6 кислород 8 направляют на реакцию газификации в парокислородный каталитический реактор конверсии 4, в который подают также теплоноситель 13, преимущественно водяной пар высокого давления.The
В парокисдородном каталитическом реакторе конверсии 4 происходит реакция:In the vapor-oxygen
По составу газ после конвертера 4 представляет собой смеси оксидов углерода и водорода с небольшими количествами метана и других углеводородов: 30-35% (об.) СO2, 10-13% (об.) СО, 38-40% (об.) Н2, 10-12% (об.) СН4, 0,5- 1,5% (об) СnН2n.By composition, the gas after
В высокотемпературном электрохимическом конвертере 6 осуществляют реакции:In the high temperature
Синтез жидких углеводородов из продуктов парокислородной газификации биомассы с последующим электрохимическим получением синтез-газа проводят в секционированном каталитическом реакторе синтеза углеводородов 15 в присутствии катализатора 32% СО - 2% MgO - 3%, ZrO2 - кизельгур, при давлении, например, 1,0 МПа с объемной скоростью 100 ч-1. Выход жидких углеводородов 16 из 1 м3 синтез-газа (состав, об.%: СО 33, СО2 33, Н2 33) достигает 114-117 г/м3, общий - 160 г/м3. Общий выход (с учетом газообразных продуктов) достигает 170-190 г/м аналогично процессу Фишера-Тропша из СО-Н2. Однако газ каталитической кислородной газификации биомассы с водяным паром содержит до 30-35% СО2, что и потребовало применения электрохимического разложения содержащегося в потоке 5 диоксида углерода до моноксида углерода по реакциям (2) и (3).The synthesis of liquid hydrocarbons from the product steam-oxygen gasification of biomass to produce followed by electrochemical synthesis gas is carried out in a partitioned catalytic
В качестве рабочего тела 11 используют воду, которую при нагреве синтез-газом 9 испаряют при давлении в диапазоне от 0.1 до 7.0 МПа и направляют на турбину для выработки механической и/или электроэнергии и теплоносителя 13. В качестве рабочего тела 11 и/или теплоносителя 13 могут также применять диоксид углерода, выведенный из потока синтез-газа 9.As the working
После вывода из потока синтез-газа 9 водяного пара проводят удаление из потока диоксида углерода 11 и/или водорода, по меньшей мере, часть которых направляют на смешение с потоком синтез-газа 9 перед и/или между стадиями синтеза углеводородов в реакторе синтеза 15 (не показано).After water vapor is withdrawn from the
Перед стадиями синтеза углеводородов в случае необходимости (наличия в биомассе белка, серосодержащих соединений) проводят очистку синтез-газа 9 от соединений серы (не показана).Before the stages of hydrocarbon synthesis, if necessary (the presence of protein, sulfur-containing compounds in the biomass), the
В качестве углеводородов 16 используют алканы, олефины, эфиры, спирты или их смеси.As
Синтез Фишера-Тропша в секционированном каталитическом реакторе синтеза углеводородов 15 может рассматриваться как реакция восстановительной олигомеризации монооксида углерода, при которой образуются углерод-углеродные связи, и в общем виде она представляет собой сложную комбинацию ряда гетерогенных реакций, которую можно представить суммарными уравнениями:The Fischer-Tropsch synthesis in a sectionalized catalytic reactor for the synthesis of
Объемное содержание диоксида углерода перед первой стадией синтеза углеводородов целесообразно поддерживать в диапазоне ориентировочно от 20 до 50% от объемного содержания водорода.The volumetric content of carbon dioxide before the first stage of the synthesis of hydrocarbons, it is advisable to maintain in the range of approximately from 20 to 50% of the volumetric content of hydrogen.
Продуктами суммы реакций (4) и (5) являются алканы, алкены и кислородсодержащие соединения, то есть образуется сложная смесь продуктов, характерная для реакции полимеризации. Первичными продуктами синтеза Фишера-Тропша являются а- и b-олефины, которые превращаются в алканы в результате последующего гидрирования. Тип применяемого катализатора, температура, соотношение СО и Н2 существенно сказываются на распределении продуктов. При использовании железных катализаторов велика доля олефинов, тогда как в случае кобальтовых катализаторов, обладающих гидрирующей активностью, преимущественно образуются насыщенные углеводороды.The products of the sum of reactions (4) and (5) are alkanes, alkenes and oxygen-containing compounds, that is, a complex mixture of products is formed that is characteristic of the polymerization reaction. The primary products of the Fischer-Tropsch synthesis are a- and b-olefins, which are converted to alkanes as a result of subsequent hydrogenation. The type of catalyst used, temperature, the ratio of CO and H 2 significantly affect the distribution of products. When using iron catalysts, the proportion of olefins is high, while in the case of cobalt catalysts with hydrogenating activity, saturated hydrocarbons are predominantly formed.
В настоящее время в качестве катализаторов синтеза Фишера-Тропша в зависимости от поставленных задач (повышение выхода бензиновой фракции, увеличение выхода низших олефинов и др.) используются как высокодисперсные железные катализаторы, нанесенные на оксиды алюминия, кремния и магния, так и биметаллические катализаторы: железо-марганцевые, железо-молибденовые и др.Currently, as catalysts for Fischer-Tropsch synthesis, depending on the tasks set (increasing the yield of the gasoline fraction, increasing the yield of lower olefins, etc.), both highly dispersed iron catalysts supported on aluminum, silicon, and magnesium oxides and bimetallic catalysts are used: iron -Manganese, iron-molybdenum, etc.
На металлооксидном катализаторе получают метанол с примесью этанола и диметилового эфира. Это основной процесс получения метанола в мире, обычная мощность метанольных заводов составляет около 0,5 млн т в год (Новомосковское ПО «Азот»; кобальтовый катализатор). Для производства моторных топлив метанол перерабатывается в диметиловый эфир и далее в смесь разветвленных предельных углеводородов (процесс Mobil GTG в Мауи, Новая Зеландия; кобальтовый катализатор). На кобальтово-цинковых катализаторах, обладающих гидрирующей активностью, получают смесь линейных алканов (процесс AGC-211 в Бинтулу, Малайзия). На железном катализаторе получают смесь линейных и разветвленных алканов и алкенов (перспективный процесс Рентех).Methanol mixed with ethanol and dimethyl ether is obtained on a metal oxide catalyst. This is the main methanol production process in the world, the usual capacity of methanol plants is about 0.5 million tons per year (Novomoskovsk PO Azot; cobalt catalyst). To produce motor fuels, methanol is processed into dimethyl ether and then into a mixture of branched saturated hydrocarbons (Mobil GTG process in Maui, New Zealand; cobalt catalyst). On cobalt-zinc catalysts with hydrogenating activity, a mixture of linear alkanes is obtained (process AGC-211 in Bintulu, Malaysia). A mixture of linear and branched alkanes and alkenes is obtained on an iron catalyst (a promising Renteh process).
На кобальтовых или родиевых катализаторах при давлении выше 10 МПа и температуре в диапазоне 140-180°С алкены взаимодействуют с синтез-газом и превращаются в альдегиды - важнейшие полупродукты в производстве спиртов, карбоновых кислот, аминов, многоатомных спиртов и др. Мировое производство альдегидов по такой технологии (оксосинтез) достигает 7 млн т в год.On cobalt or rhodium catalysts at pressures above 10 MPa and a temperature in the range of 140-180 ° С, alkenes interact with synthesis gas and turn into aldehydes - the most important intermediates in the production of alcohols, carboxylic acids, amines, polyhydric alcohols, etc. The world production of aldehydes by such technology (oxosynthesis) reaches 7 million tons per year.
Одно из важных современных направлений научного поиска в области синтеза Фишера-Тропша состоит в получении кислородсодержащих продуктов. Введение таких соединений в количестве 1% в дизельное топливо снижает содержание сажи в продуктах сгорания на 4-10%.One of the important modern directions of scientific research in the field of Fischer-Tropsch synthesis is to obtain oxygen-containing products. The introduction of such compounds in an amount of 1% in diesel fuel reduces the soot content in the combustion products by 4-10%.
Жидкие продукты процесса Фишера-Тропша 16, образующиеся из синтез-газа в секционированном каталитическом реакторе синтеза углеводородов 15 на промотированных железных или кобальтовых катализаторах, содержат преимущественно неразветвленные парафиновые углеводороды. Фракции этих жидких продуктов могут использоваться в качестве дизельных и турбинных топлив с минимальной переработкой.The liquid products of the Fischer-
В секционированном каталитическом реакторе синтеза углеводородов 15 при давлении синтез-газа в диапазоне ориентировочно от 2.0 до 9.0 МПа могут также применяться катализаторы на основе металлов, выбранных из группы никель, родий, платина, иридий, палладий, железо, кобальт, рений, рутений, медь, цинк, железо, их смеси или соединения, с отводом выделяющейся при синтезе углеводородов тепловой энергии за счет нагрева теплоносителя 13 (не показано).Catalysts based on metals selected from the group of nickel, rhodium, platinum, iridium, palladium, iron, cobalt, rhenium, ruthenium, copper can also be used in a partitioned catalytic reactor for the synthesis of
Осуществление процесса Фишера-Тропша с использованием синтез-газа с высоким содержанием СО позволяет получить качественные жидкие топлива. Применение синтез-газа с высоким отношением СО:Н2 позволяет исключить стадию конверсии СО водяным паром, которая обычно используется для получения дополнительного количества Н2, и повысить термическую эффективность процесса.The implementation of the Fischer-Tropsch process using synthesis gas with a high CO content allows to obtain high-quality liquid fuels. The use of synthesis gas with a high CO: H 2 ratio eliminates the stage of CO conversion with water vapor, which is usually used to obtain additional amounts of H 2 , and increase the thermal efficiency of the process.
Исследования смеси Н2:СО различного состава на математической моделиStudies mixture of H 2: CO of different composition on a mathematical model
[ TPU/2004/v307/i7/21.pdf] в интервале 0,8:1…2,2:1 (Т=513 К; Р=0,9 МПа; о.с.=150 ч-1) согласуются с результатами экспериментов и приведены в табл.1, из данных которой видно, что максимальный выход углеводородов наблюдается при соотношении Н2:СО=1,35:1, поэтому дальнейшие исследования были проведены при данном составе синтез-газа.[TPU / 2004 / v307 / i7 / 21.pdf] in the range of 0.8: 1 ... 2.2: 1 (T = 513 K; P = 0.9 MPa; r.p. = 150 h -1 ) are consistent with the experimental results and are shown in Table 1, from the data of which it is seen that the maximum hydrocarbon yield is observed at a ratio of H 2 : CO = 1.35: 1, so further studies were carried out with this composition of the synthesis gas.
X, % мол.Degree of conversion
X,% mol.
Исследования влияния температуры проводились при следующих параметрах: давление 0,9 МПа, объемная скорость сырья 150 ч-1, соотношение Н2:СО=1,35:1 в интервале температур 513…553 К. Выходы продуктов представлены в табл.2.Investigations of the effect of temperature were carried out with the following parameters: pressure 0.9 MPa, volumetric feed rate of 150 h -1 , the ratio of H2: CO = 1.35: 1 in the temperature range 513 ... 553 K. The product yields are presented in table 2.
Как показали результаты расчетов, с увеличением температуры несколько повышается выход олефинов, однако распределение углеводородов по числу атомов углерода в молекуле практически не меняется.As the results of calculations showed, the yield of olefins slightly increases with increasing temperature, but the distribution of hydrocarbons by the number of carbon atoms in the molecule practically does not change.
Парафиновые углеводороды неразветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Облагораживание тяжелых углеводородов типа CnHm с n>18 возможно производить за счет гидрокрекинга. Для производства высокоцетановых моторных топлив желательно проводить ректификацию смеси углеводородов с получением фракции аналогичной дизельному топливу и/или смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом 77-90, полученных по методу Фишера-Тропша с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40-50.Unbranched paraffin hydrocarbons are good components of diesel fuels. The refinement of heavy hydrocarbons of type C n H m with n> 18 is possible due to hydrocracking. For the production of high-cetane motor fuels, it is desirable to rectify a hydrocarbon mixture to obtain a fraction similar to diesel fuel and / or to mix fractions of synthetic paraffins with a cetane number of 77-90 obtained by the Fischer-Tropsch method with diesel fractions of oil or coal hydrogenation products that have a cetane number of 40 -fifty.
Путем регенеративного теплообмена с синтез-газом 9 изменяют температуру углеводородов 16 на выходе из реактора синтеза 15.By regenerative heat exchange with
Отдельные фракции 18 или продукты, полученные из синтетических углеводородов 16, могут использовать в производстве биомассы. Генноинженерные штаммы псевдомонад, утилизирующие сырую нефть, допускают, по меньшей мере, получение биомассы на базе необработанных фракций синтетических углеводородов, например питающей фракции 18, отбираемой из хранилища 17, в который продукт 16 поступает из реактора синтеза 15.
В табл.3 представлены характерные особенности осуществления способа в части получения углеводородов.Table 3 presents the characteristic features of the method in terms of producing hydrocarbons.
При использовании способа возможно создание передвижных установок по переработке растительной биомассы в компоненты моторного топлива.Using the method, it is possible to create mobile plants for processing plant biomass into components of motor fuel.
Производство и сбор бурых водорослей возможно, например, осуществлять в центре Атлантического океана между 23-35° северной широты и 30-68° западной долготы на глубине 10…12 м с помощью судна-плавбазы с траулерами-сборщиками, как это описано в патенте RU 2282582, опубл. 27.08.2006, Бюл. №24. Могут также применяться садки, пруды-охладители АЭС, емкости с подачей ферментов и углеводородов и другие типы подобных аппаратов.The production and collection of brown algae can, for example, be carried out in the center of the Atlantic Ocean between 23-35 ° north latitude and 30-68 ° west longitude at a depth of 10 ... 12 m using a floating vessel with trawler-collectors, as described in RU patent 2282582, publ. 08/27/2006, Bull. Number 24. Cages, NPP cooler ponds, enzyme and hydrocarbon feed tanks, and other types of similar apparatuses can also be used.
Таким образом, в предложенном изобретении удалось создать новый способ преобразования солнечной энергии, позволяющий снизить тепловые затраты на процесс получения энергоносителей, а также эффективно производить различные энергоносители при отсутствии потребления кислорода из атмосферы.Thus, in the proposed invention, it was possible to create a new method of converting solar energy, which allows to reduce the heat costs of the process of obtaining energy, as well as effectively produce various energy carriers in the absence of oxygen consumption from the atmosphere.
Claims (13)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012148151/05A RU2520475C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Method of converting solar energy into chemical and its accumulation in hydrogen-containing products |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012148151/05A RU2520475C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Method of converting solar energy into chemical and its accumulation in hydrogen-containing products |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012148151A RU2012148151A (en) | 2014-06-20 |
| RU2520475C1 true RU2520475C1 (en) | 2014-06-27 |
Family
ID=51213307
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012148151/05A RU2520475C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Method of converting solar energy into chemical and its accumulation in hydrogen-containing products |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2520475C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2713931C1 (en) * | 2016-09-26 | 2020-02-11 | Тиссенкрупп Индастриал Солюшнз Аг | Method and device for recuperation of heat energy in plants containing at least one reformer, logic unit and application of heat energy recuperation device |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU526281A3 (en) * | 1970-09-04 | 1976-08-25 | Тойо Энджиниринг Корпорейшн (Фирма) | Method for producing hydrogen-containing gas |
| DE4302089A1 (en) * | 1993-01-21 | 1994-07-28 | Roland Dr Ing Rydzewski | Steam super-heated by solar power |
| US6051125A (en) * | 1998-09-21 | 2000-04-18 | The Regents Of The University Of California | Natural gas-assisted steam electrolyzer |
| RU2234033C1 (en) * | 2003-09-11 | 2004-08-10 | Закрытое Акционерное Общество "Медтехника" | Method of producing power carrier |
| RU2396204C2 (en) * | 2008-10-24 | 2010-08-10 | Владимир Николаевич Серебряков | Method of obtaining synthesis-gas and products of organic synthesis from carbon dioxide and water |
| US20100228062A1 (en) * | 2009-03-05 | 2010-09-09 | G4 Insight Inc. | Process and system for thermochemical conversion of biomass |
-
2012
- 2012-11-13 RU RU2012148151/05A patent/RU2520475C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU526281A3 (en) * | 1970-09-04 | 1976-08-25 | Тойо Энджиниринг Корпорейшн (Фирма) | Method for producing hydrogen-containing gas |
| DE4302089A1 (en) * | 1993-01-21 | 1994-07-28 | Roland Dr Ing Rydzewski | Steam super-heated by solar power |
| US6051125A (en) * | 1998-09-21 | 2000-04-18 | The Regents Of The University Of California | Natural gas-assisted steam electrolyzer |
| RU2234033C1 (en) * | 2003-09-11 | 2004-08-10 | Закрытое Акционерное Общество "Медтехника" | Method of producing power carrier |
| RU2396204C2 (en) * | 2008-10-24 | 2010-08-10 | Владимир Николаевич Серебряков | Method of obtaining synthesis-gas and products of organic synthesis from carbon dioxide and water |
| US20100228062A1 (en) * | 2009-03-05 | 2010-09-09 | G4 Insight Inc. | Process and system for thermochemical conversion of biomass |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2713931C1 (en) * | 2016-09-26 | 2020-02-11 | Тиссенкрупп Индастриал Солюшнз Аг | Method and device for recuperation of heat energy in plants containing at least one reformer, logic unit and application of heat energy recuperation device |
| US10900384B2 (en) | 2016-09-26 | 2021-01-26 | Thyssenkrupp Industrial Solutions Ag | Method and arrangement for heat energy recovery in systems comprising at least one reformer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012148151A (en) | 2014-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Taipabu et al. | A critical review of the hydrogen production from biomass-based feedstocks: Challenge, solution, and future prospect | |
| Pal et al. | A review on biomass based hydrogen production technologies | |
| Dalena et al. | Methanol production and applications: an overview | |
| Goeppert et al. | Recycling of carbon dioxide to methanol and derived products–closing the loop | |
| JP5738989B2 (en) | How to convert biogas to methane-rich gas | |
| Milne et al. | Hydrogen from biomass: state of the art and research challenges | |
| Mohanty et al. | Hydrogen generation from biomass materials: challenges and opportunities | |
| CN111039258B (en) | Methanol-water reforming hydrogen production system based on solar fuel | |
| Goeppert et al. | Toward a sustainable carbon cycle: the methanol economy | |
| Kaur et al. | Thermochemical route for biohydrogen production | |
| JP2024513288A (en) | Efficient two-step process for direct production of liquid fuels from carbon dioxide and hydrogen | |
| CN102464570B (en) | The series production method of a kind of alcohols or mixed alcohols and methanation hydro carbons | |
| Khan et al. | Review on hydrogen production technologies in Malaysia | |
| Palanisamy et al. | Analysis on production of bioethanol for hydrogen generation | |
| CN102260518A (en) | Method for directly producing biodiesel by using microalgae oil | |
| Sharifi et al. | Power-to-X | |
| Djinović et al. | Energy carriers made from hydrogen | |
| WO2013173787A1 (en) | Production of higher alcohols with minimum methanol content from the gasification of carbonaceous materials | |
| Budzianowski et al. | Analysis of solutions alleviating CO2 emissions intensity of biogas technology | |
| RU2520475C1 (en) | Method of converting solar energy into chemical and its accumulation in hydrogen-containing products | |
| CN112280584A (en) | Method and equipment for preparing environment-friendly solvent and paraffin by using biomass energy | |
| Reiter | Power‐to‐Gas | |
| CN103484163A (en) | Biomass double-mode reforming gasifying preparation method for pure synthesis gas | |
| WO2023150001A1 (en) | Production of sustainable aviation fuel from co2 and low-carbon hydrogen | |
| Milne et al. | Hydrogen from biomass |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160405 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161114 |