RU2604228C1 - Method of accumulating hydrogen - Google Patents
Method of accumulating hydrogen Download PDFInfo
- Publication number
- RU2604228C1 RU2604228C1 RU2015128129/05A RU2015128129A RU2604228C1 RU 2604228 C1 RU2604228 C1 RU 2604228C1 RU 2015128129/05 A RU2015128129/05 A RU 2015128129/05A RU 2015128129 A RU2015128129 A RU 2015128129A RU 2604228 C1 RU2604228 C1 RU 2604228C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- capsule
- stream
- water vapor
- capsules
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
- C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
- F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
- F17C11/00—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
- F17C11/005—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for hydrogen
-
- 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
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A50/00—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
- Y02A50/20—Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters
-
- 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
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к способу аккумулирования водорода, водородсодержащих продуктов и может быть использовано в химической промышленности для переработки углеводородных газов, а также в системах транспорта и водородных технологий.The invention relates to a method for the accumulation of hydrogen, hydrogen-containing products and can be used in the chemical industry for the processing of hydrocarbon gases, as well as in transport systems and hydrogen technologies.
Уровень техникиState of the art
Из уровня техники известен способ получения синтез-газа, содержащего в основном Н2 и СО, описанный в патенте РФ №2228901 на изобретение, опубл. 2004.05.20. Известный способ получения синтез-газа включает две стадии: стадию А) парциального окисления и стадию Б) конверсии остаточного метана с продуктами стадии А) на катализаторе. Стадию А) парциального окисления проводят в две ступени: а) некаталитического парциального окисления природного газа кислородом с получением в продуктах реакции неравновесного содержания Н2О и СН4 при мольном соотношении кислорода и метана, примерно равном 0,76-0,84, б) конверсии продуктов реакции ступени а) с корректирующими добавками СО2 и Н2О или Н2О и CH4 с получением газовой смеси, которая проходит конверсию остаточного метана водяным паром на катализаторе. Способ позволяет производить синтез-газ с составом, который отвечает заданному соотношению СО/Н2. Способ можно использовать для получения исходного сырья для дальнейших процессов получения водорода, синтеза спиртов, диметилового эфира, аммиака или других крупнотоннажных химических продуктов.The prior art method for producing synthesis gas, containing mainly H 2 and CO, described in the patent of the Russian Federation No. 2228901 for the invention, publ. 2004.05.20. The known method for producing synthesis gas includes two stages: stage A) partial oxidation and stage B) conversion of residual methane with the products of stage A) on the catalyst. Stage A) partial oxidation is carried out in two stages: a) non-catalytic partial oxidation of natural gas with oxygen to obtain in the reaction products a nonequilibrium content of H 2 O and CH 4 at a molar ratio of oxygen and methane of approximately 0.76-0.84, b) conversion products stage reaction a) with corrective additions of CO 2 and H 2 O or H 2 O and CH 4 to obtain a gas mixture which passes residual reforming methane with steam on a catalyst. The method allows the production of synthesis gas with a composition that corresponds to a given ratio of CO / H 2 . The method can be used to obtain feedstock for further processes for the production of hydrogen, the synthesis of alcohols, dimethyl ether, ammonia or other large-capacity chemical products.
Однако описанный способ обладает рядом недостатков, к которым можно отнести функциональные и экономические ограничения применения способа, связанные с необходимостью выделения и очистки водорода.However, the described method has several disadvantages, which include functional and economic limitations of the application of the method associated with the need for the allocation and purification of hydrogen.
В то же время растущим сегментом потребления водорода становится автотранспорт, в котором хранение водорода на борту требует создания эффективных аккумуляторов с низкими массогабаритными показателями и способностью к быстрой заправке и опорожнению.At the same time, motor transport is becoming a growing hydrogen consumption segment, in which the storage of hydrogen on board requires the creation of efficient batteries with low overall dimensions and the ability to quickly fill and empty.
Из уровня техники известен способ аккумулирования водорода и емкость для хранения водорода (см. патент РФ №2222749 на изобретение, опубл. 27.01.2004), предназначенная для водородного автомобиля и выполненная из прочных композитных относительно легких материалов. Последняя модификация имеет объем 90 л, массу 40 кг, давление водорода 400 атм. Оценки показывают, что в этом случае в емкости может быть запасено 3,2 кг водорода, что соответствует массовому содержанию водорода 8%.The prior art method of hydrogen storage and a hydrogen storage tank (see RF patent No. 2222749 for an invention, publ. 01/27/2004), designed for a hydrogen automobile and made of durable composite relatively light materials. The last modification has a volume of 90 l, a mass of 40 kg, a hydrogen pressure of 400 atm. Estimates show that in this case 3.2 kg of hydrogen can be stored in the tank, which corresponds to a mass content of hydrogen of 8%.
Недостатками технического решения являются взрывоопасность, низкое содержание водорода на единицу объема.The disadvantages of the technical solution are explosiveness, low hydrogen content per unit volume.
Из уровня техники известен способ хранения и подачи водорода с использованием системы подачи топлива для топливных элементов электромобилей, приведенной в патенте РФ №2233511 на изобретение, опубл. 27.07.2004. В составе этой системы имеется топливный (водородный) бак. Для обеспечения функционального назначения через патрубки бак соединен с другими составными частями и модулями системы подачи топлива трубопроводными магистралями подачи и отбора газа, а также подвода и отвода рабочей среды теплообменника, обеспечивающего заданные режимы работы установки. В такой установке для повышения плотности хранения водорода могут применяться наполнитель-аккумулятор водорода.The prior art method for storing and supplying hydrogen using a fuel supply system for fuel cells of electric vehicles described in the patent of the Russian Federation No. 2233511 for the invention, publ. 07/27/2004. This system has a fuel (hydrogen) tank. To ensure the functional purpose through the nozzles, the tank is connected to other components and modules of the fuel supply system by pipelines of gas supply and selection, as well as supply and removal of the working medium of the heat exchanger, providing the given operating modes of the installation. In such a plant, a hydrogen storage filler may be used to increase the hydrogen storage density.
В частности, предложена также емкость для хранения водорода, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков, нагревателя и наполнителя-аккумулятора водорода, размещенного в корпусе. Наполнитель-аккумулятор водорода представляет собой полые микросферы, скрепленные между собой в единую жесткую структуру, сформированную послойно из микросфер разного диаметра. Диаметр микросфер уменьшается от центрального слоя к периферийному. На внешней поверхности жесткой структуры может быть выполнено покрытие из металла, эффективно поглощающего водород, например палладия, или никеля, или сплава лантана с никелем. В качестве материала микросферы используют сталь, или титан, или лантан, или никель, или цирконий, или сплавы на основе этих металлов или графит, или композиции на основе графита. Микросферы из металла могут быть закреплены между собой диффузионной сваркой. Изобретение направлено на создание емкости для безопасного хранения водорода, обеспечивающей увеличение массового содержания водорода выше 6% (см. патент РФ №2267694 на изобретение, опубл. 10.01.2006).In particular, a hydrogen storage tank is also proposed, consisting of a sealed housing, process pipes, a heater, and a hydrogen filler-accumulator located in the housing. The hydrogen storage filler is hollow microspheres bonded together in a single rigid structure formed layer-by-layer from microspheres of different diameters. The diameter of the microspheres decreases from the central layer to the peripheral. On the outer surface of the rigid structure, a coating can be made of a metal that effectively absorbs hydrogen, for example palladium, or nickel, or an alloy of lanthanum with nickel. As the material of the microspheres, steel, or titanium, or lanthanum, or nickel, or zirconium, or alloys based on these metals or graphite, or graphite-based compositions are used. Microspheres made of metal can be fixed among themselves by diffusion welding. The invention is aimed at creating a tank for the safe storage of hydrogen, providing an increase in the mass content of hydrogen above 6% (see RF patent No. 2267694 for the invention, publ. 10.01.2006).
Недостатком такой технологии является необходимость создания сопряженной технологии получения и компримирования водорода для заполнения аккумулятора. Получение водорода для заправки таких аккумуляторов требует капиталоемкого производства.The disadvantage of this technology is the need to create a paired technology for the production and compression of hydrogen to fill the battery. The production of hydrogen for refueling such batteries requires capital-intensive production.
Из уровня техники известен способ получения водорода, описанный в монографии "Ядерно-технологические комплексы на основе высокотемпературных реакторов", А.Я. Столяревский - Москва: "Энергоатомиздат", 1988. - 152 с. (ISBN 5-283-03750-9), с. 107-109. Этот способ технологической конверсии углеводородного сырья включает многостадийное получение синтез-газа, содержащего в основном Н2 и СО, в котором проводят как минимум две последовательные стадии, в каждой из которых поток, содержащий низшие алканы, имеющие ориентировочно от одного до четырех атомов углерода, пропускают через нагревающий теплообменник, а затем через адиабатический реактор, заполненный насадкой катализатора, и после последней стадии из потока удаляют водяной пар.The prior art method for producing hydrogen, described in the monograph "Nuclear-technological complexes based on high-temperature reactors", A.Ya. Stolyarevsky - Moscow: Energoatomizdat, 1988. - 152 p. (ISBN 5-283-03750-9), p. 107-109. This method of technological conversion of hydrocarbon feedstock involves the multi-stage production of synthesis gas containing mainly H 2 and CO, in which at least two successive stages are carried out, in each of which a stream containing lower alkanes having about one to four carbon atoms is passed through a heating heat exchanger, and then through an adiabatic reactor filled with a catalyst nozzle, and after the last stage, water vapor is removed from the stream.
Недостатками данного решения являются относительно низкий коэффициент конверсии алканов (до 90%) и относительно невысокое отношение Н2/СО в синтез-газе как продукте процесса, что ухудшает условия последующего извлечения водорода из продуктов конверсии.The disadvantages of this solution are the relatively low conversion ratio of alkanes (up to 90%) and the relatively low ratio of H 2 / CO in the synthesis gas as a product of the process, which worsens the conditions for the subsequent extraction of hydrogen from the conversion products.
Отчасти эти проблемы решает способ, позволяющий повысить коэффициент конверсии низших алканов и создать технологические возможности по изменению соотношения Н2/СО в производимом синтез-газе. В многостадийном получении синтез-газа, в котором проводят как минимум две последовательные стадии, в каждой из которых поток, содержащий низшие алканы, имеющие ориентировочно от одного до четырех атомов углерода, пропускают через нагревающий теплообменник, а затем через адиабатический реактор, заполненный насадкой катализатора, и после последней стадии из потока удаляют водяной пар, после чего проводят удаление из потока диоксида углерода и/или водорода, по меньшей мере, часть которых направляют на смешение с потоком перед и/или между стадиями. Коэффициент конверсии алканов при таком способе повышается свыше 90%, а отношение Н2/СО может изменяться от 2 до 4 в зависимости от целевого конечного продукта (см. патент РФ №2274600 на изобретение, опубл. 2006.04.20 - прототип).Part of these problems is solved by a method that allows to increase the conversion coefficient of lower alkanes and create technological capabilities for changing the ratio of H 2 / CO in the produced synthesis gas. In a multi-stage synthesis gas production in which at least two successive stages are carried out, in each of which a stream containing lower alkanes having approximately one to four carbon atoms is passed through a heating heat exchanger and then through an adiabatic reactor filled with a catalyst nozzle, and after the last stage, water vapor is removed from the stream, after which carbon dioxide and / or hydrogen is removed from the stream, at least part of which is directed to mixing with the stream before and / or between in tadia. The alkane conversion coefficient in this method rises above 90%, and the H 2 / CO ratio can vary from 2 to 4 depending on the target end product (see RF patent No. 2274600 for an invention, publ. 2006.04.20 - prototype).
Недостатком данного способа является потеря давления и температуры в процессе удаления водорода, что затрудняет его эффективное аккумулирование.The disadvantage of this method is the loss of pressure and temperature in the process of hydrogen removal, which makes it difficult to efficiently accumulate it.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей заявленного изобретения является создание способа с улучшенными экономическими показателями аккумулирования водорода и условиями эффективного применения водорода.The objective of the claimed invention is to provide a method with improved economic indicators of hydrogen storage and conditions for the effective use of hydrogen.
Техническим результатом заявленного изобретения является:The technical result of the claimed invention is:
- снижение расхода энергоресурсов,- reduction in energy consumption,
- уменьшение затрат на прокачку и потери, связанные с выбросом избыточного тепла в атмосферу,- reduction of pumping costs and losses associated with the release of excess heat into the atmosphere,
- снижение затрат на аккумулирование водорода.- reducing the cost of hydrogen storage.
Технический результат достигается тем, что нагретый поток, содержащий водяной пар и низшие алканы, имеющие от одного до четырех атомов углерода, пропускают через адиабатический реактор, заполненный насадкой катализатора, а затем из нагретого потока выводят водород, при этом водород выводят путем диффузии через герметичную металлическую стенку в капсулу, в которой проводят поглощение водорода реакционным газом.The technical result is achieved in that a heated stream containing water vapor and lower alkanes having from one to four carbon atoms is passed through an adiabatic reactor filled with a catalyst nozzle, and then hydrogen is removed from the heated stream, while hydrogen is removed by diffusion through a sealed metal a wall into a capsule in which hydrogen is absorbed by the reaction gas.
В предпочтительном варианте, капсула выполнена выемной с возможностью диффузионного выпуска водорода. После адиабатического реактора выводят из нагретого потока водяной пар и диоксид углерода. Перед нагревом потока проводят очистку потока от соединений серы. После вывода водорода охлаждение нагретого потока ведут в теплообменнике за счет получения водяного пара. В адиабатическом реакторе поддерживают температуру в диапазоне 600°С-900°С. Низший алкан представляет собой метан. Давление потока выбирают в диапазоне убрать от 2.0-12.0 МПа. В нагретый поток, содержащий водяной пар и низшие алканы, подводят кислород, получаемый из воздуха путем отделения от азота, который подают на заполнение капсулы в качестве реакционного газа. Капсулу заполняют бензолом в качестве реакционного газа. В качестве источника водяного пара используют ядерный реактор. Капсула содержит катализатор поглощения водорода.In a preferred embodiment, the capsule is removable with the possibility of diffusion of hydrogen. After the adiabatic reactor, steam and carbon dioxide are removed from the heated stream. Before heating the stream, the stream is purified from sulfur compounds. After the removal of hydrogen, the cooling of the heated stream is carried out in a heat exchanger by producing water vapor. In an adiabatic reactor, a temperature is maintained in the range of 600 ° C-900 ° C. Lower alkane is methane. The flow pressure is selected in the range removed from 2.0-12.0 MPa. In a heated stream containing water vapor and lower alkanes, oxygen is obtained from the air by separation from nitrogen, which is fed to fill the capsule as a reaction gas. The capsule is filled with benzene as a reaction gas. A nuclear reactor is used as a source of water vapor. The capsule contains a hydrogen absorption catalyst.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фигурой, где показано следующее:The features and essence of the claimed invention are explained in the following detailed description, illustrated by a figure, which shows the following:
1 - низшие алканы в виде метана;1 - lower alkanes in the form of methane;
2 - водяной пар;2 - water vapor;
3 - кислород;3 - oxygen;
4 - нагретый поток;4 - heated stream;
5 - адиабатический реактор;5 - adiabatic reactor;
6 - синтез-газ;6 - synthesis gas;
7 - аккумулятор водорода;7 - hydrogen accumulator;
8 - капсула;8 - capsule;
9 - подача капсул;9 - supply of capsules;
10 - коллектор;10 - collector;
11 - система отгрузка капсул;11 - capsule shipping system;
12 - генератор водорода;12 - hydrogen generator;
13 - водород;13 is hydrogen;
14 - тепловая энергия;14 - thermal energy;
15 - теплообменник;15 - heat exchanger;
16 - товарный газ;16 - commercial gas;
17 - воздух;17 - air;
18 - газоразделитель;18 - gas separator;
19 - азот;19 - nitrogen;
20 - газонаполнитель;20 - gas filler;
21 - ядерный реактор;21 - a nuclear reactor;
22 - паровая турбина.22 - steam turbine.
Осуществление изобретения и примеры реализацииThe implementation of the invention and examples of implementation
Примером реализации заявленного изобретения служит способ аккумулирования водорода, описанный ниже.An example implementation of the claimed invention is the method of hydrogen storage, described below.
Пример 1.Example 1
В примере 1 осуществления изобретения в качестве низших алканов 1 используют метан, в качестве нагретого потока 4, содержащего водяной пар, диоксид углерода и водород, используют продукты парокислородной каталитической конверсии метана в адиабатическом реакторе 5, в качестве реакционного газа, заполняющего капсулы 8, используют азот, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам получения водорода из природного газа и аккумулирования водорода в связанном с азотом состоянии в виде аммиака.In example 1 of the invention, methane is used as
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
Метан 1 направляют на стадию очистки от сернистых соединений (если они содержатся в виде примесей в метане) (на фигуре не показана), которую проводят в две ступени: сначала ведут, например, на алюмокобальтмолибденовом катализаторе гидрирование органических соединений серы, например меркаптанов в сероводород, а затем поток направляют на поглощение образовавшегося сероводорода активированным оксидом цинка в реакторах поглощения, включенных в работу последовательно или параллельно. Метан 1, очищенный (в пересчете на серу) до массовой концентрации серы менее 0.5 мг/нм3 с давлением выше 6.0 МПа смешивают со сжатым до давления метана водяным паром 2, подогревают до температуры около 400°С и образовавшийся поток газа подают на смешение с кислородом 3, который служит окислителем парометановой смеси. В результате окисления смесь нагревается до температуры около 1200°С и образует нагретый поток 4, подаваемый в адиабатический реактор 5, заполненный насадкой катализатора, в качестве которого, например, предпочтительно использовать никелевый катализатор типа НИАП-03-01. Могут также применяться и катализаторы на основе других активных металлов, выбранных из группы родий, платина, иридий, палладий, железо, кобальт, рений, рутений, медь, цинк, железо, их смеси или соединения. Состав катализатора с изменением содержания платиноидов, а также металлов, влияющих на кинетику окисления оксида углерода водяным паром (реакция сдвига) позволит управлять содержанием водорода и СО в товарном газе 16. Полученный синтез-газ направляют в аккумулятор водорода 7, в который помещают капсулы 8, заполненные реакционным азотом до давления 1.1-1.2 МПа. За счет диффузии водорода через стенки капсул 8 водород попадает внутрь капсул 8 и поглощается за счет реакции синтеза аммиака из азото-водородной смеси: 3 Н2+N2↔2 NH3. Температуру реакции поддерживают на уровне 350-400°С за счет отвода тепла, например, к кипящей воде (на фигуре не показана). Затем капсулы 8 дополнительно охлаждают, например водой, подаваемой в аккумулятор водорода 7, до температуры окружающей среды, в процессе чего происходит конденсация аммиака и падение давления в капсулах 8, которые системой подачи капсул 9 отправляют в коллектор 10, из которого системой отгрузки капсул 11 их направляют в генератор водорода 12, из которого водород 13 выдают конечному его потребителю. В генераторе водорода 12 водород 13 выделяется из капсул 8 при их нагреве тепловой энергией 14 за счет термолиза аммиака и последующей диффузии водорода 13 через стенки капсул 8. Генератор водорода 12 может быть размещен на борту транспортного средства и тепловая энергия 14 может подаваться за счет охлаждения продуктов сгорания водорода 13 в двигателе данного транспортного средства. Из аккумулятора водорода 7 выводят товарный газ 16, который охлаждают в теплообменнике 15 перед выдачей в систему последующей утилизации, в качестве которой могут служить энергоустановки, агрегаты синтеза метанола, другие химические потребители. При этом из товарного газа 16 могут удалять CO2 в абсорбционной очистке, например, водным раствором активированного моно- и диэтаноламина. Для получения азота 19, используемого в качестве реакционного газа, и кислорода 3 используют воздух 17, из которого в газоразделителе 18 отделяют азот 19, направляемый в газонаполнитель 20, в котором азотом 19 наполняют капсулы 8, направляемые затем в аккумулятор водорода 7, в который также могут направляться и капсулы 8, освобожденные от водорода 13 в генераторе водорода 12.
Для получения водяного пара 2 высокого давления может использоваться ядерный реактор 21, параметры которого позволяют генерировать пар с давлением 9-13 МПа, что позволяет часть энергии водяного пара 2 сработать на паровой турбине 22 с целью выработки электроэнергии, часть которой может быть направлена в газоразделитель 18 для получения из воздуха 17 азота 19 и кислорода 3.To obtain high pressure water vapor 2, a
На выходе из адиабатического реактора 5 синтез-газ имеет состав, представленный в таблице 1.At the outlet of the adiabatic reactor 5, the synthesis gas has the composition shown in table 1.
Таким образом, в аккумуляторе водорода 7, в который помещают капсулы 8, заполненные азотом до давления 1.1-1.2 МПа, создают среду с высоким (свыше 3.7 МПа) парциальным давлением водорода, что позволяет провести эффективное заполнение капсул 8 водородом. Водород обладает очень высокой диффузионной проницаемостью. Материал капсул 8 выбирают из металлов, имеющих хорошую растворимость водорода. Уникальность водорода заключается прежде всего в его аномально высокой подвижности в металлах, которая даже при комнатной температуре значительно выше по сравнению азотом (коэффициент диффузии водорода в 1012 раз выше, чем у С или N). Коэффициент диффузии водорода в железе при 25°С DH=7×10-5 см2/с - т.е. его проникающая способность порядка 1 мм за 3 минуты. Дефекты металла удерживают очень длительное время водород в металле при его концентрации на 3 порядка выше равновесной.Thus, in a hydrogen accumulator 7, in which
В сплавах на основе железа растворимость водорода и коэффициент диффузии зависят от концентрации углерода, легирующих элементов, примесей и структурного состояния металла или сплава. Например, для стали Ст3сп коэффициент диффузии равен 1,499×10-4 см2/с, а для стали 14Х2ГМР - 4,442×10-4 см2/с. Известно, что с повышением концентрации углерода, кремния, алюминия, хрома, вольфрама, бора в сплаве растворимость водорода в металле уменьшается, а при легировании титаном, ниобием и др. повышается. Все легирующие элементы, замедляющие диффузию водорода, одновременно снижают и скорость его удаления из металла, в то время как элементы, повышающие растворимость водорода (титан, ниобий, неодим, цирконий, торий, церий, лантан, тантал, ванадий до 6%) и образующие с водородом соединения, прочные при низких температурах, ускоряют удаление водорода.In iron-based alloys, the solubility of hydrogen and the diffusion coefficient depend on the concentration of carbon, alloying elements, impurities and the structural state of the metal or alloy. For example, for St3sp steel, the diffusion coefficient is 1.499 × 10 -4 cm 2 / s, and for steel 14Kh2GMR - 4.442 × 10 -4 cm 2 / s. It is known that with an increase in the concentration of carbon, silicon, aluminum, chromium, tungsten, boron in the alloy, the solubility of hydrogen in the metal decreases, and when alloyed with titanium, niobium, etc. it increases. All alloying elements that slow down the diffusion of hydrogen simultaneously reduce the rate of its removal from the metal, while elements that increase the solubility of hydrogen (titanium, niobium, neodymium, zirconium, thorium, cerium, lanthanum, tantalum, vanadium up to 6%) and form Compounds with hydrogen that are durable at low temperatures accelerate the removal of hydrogen.
Растворимость водорода в твердом металле определяется кристаллической структурой металла. Известно, что а-железо (феррит) более проницаемо для водорода, чем g-железо (аустенит), хотя растворимость его и в g-железе большая. Наибольшее количество водорода растворяется в аустените, что объясняется большими размерами полостей в гранецентрированной решетке, по сравнению с металлом с ОЦК решеткой. Растворяясь в ферритной составляющей металла, водород вызывает увеличение ее объема на 1,75 см3/моль.The solubility of hydrogen in a solid metal is determined by the crystalline structure of the metal. It is known that a-iron (ferrite) is more permeable to hydrogen than g-iron (austenite), although its solubility in g-iron is also large. The largest amount of hydrogen dissolves in austenite, which is explained by the large size of the cavities in the face-centered lattice, compared with a metal with a bcc lattice. Dissolving in the ferrite component of the metal, hydrogen causes an increase in its volume by 1.75 cm 3 / mol.
Внутри капсул 8, водород, пройдя металлическую стенку, вступает в реакцию синтеза аммиака с реакционным азотом, заполняющим объем капсулы 8. Содержание Н2 в аммиаке превышает содержание Н2 в металлических гидридах примерно на порядок и составляет около 18%.Inside
Синтез аммиака, основанный на взаимодействии реакционного азота и водорода, могут осуществлять внутри капсул 8 при повышенных температурах и давлениях с использованием рутениевого катализатора при давлении 0,6-30,0 МПа, температуре 300-500°С.The synthesis of ammonia, based on the interaction of reaction nitrogen and hydrogen, can be carried out inside
Катализатор может использовать в качестве активных компонентов, например, Fe и оксиды K, Са, Al (как, например, катализатор FNMS Montecatini-Edison), описанный в патент РФ 2241667, опубл. 10.12.2004. В этом случае, как показал эксперимент, равновесие в реакции синтеза достигает наибольшей степени при температуре 373°С, таблица 2.The catalyst can be used as active components, for example, Fe and oxides of K, Ca, Al (such as, for example, FNMS Montecatini-Edison catalyst), described in RF patent 2241667, publ. 12/10/2004. In this case, as the experiment showed, the equilibrium in the synthesis reaction reaches its greatest degree at a temperature of 373 ° C, table 2.
Возможные условия реакции синтеза аммиака и состав реакционной смеси в капсуле 8 представлены в таблице 2.Possible reaction conditions for the synthesis of ammonia and the composition of the reaction mixture in
Для ускорения реакции в составе капсул 8 могут использоваться катализаторы.Catalysts may be used to accelerate the reaction in
В коллекторе 10 капсулы окончательно охлаждают до температуры окружающей среды, что приводит к конденсации аммиака и снижению давления в капсуле 8. Сниженное давление позволяет создавать капсулы 8 тонкостенными, что способствует снижению их массогабаритных характеристик, удешевлению и ускоряет процесс заправки капсул 8 в аккумуляторе водорода 7 и выдаче водорода 13 в генераторе водорода 12.In the
В генераторе водорода 12 водород 13 выделяется из капсул 8 при их нагреве тепловой энергией 14 за счет термолиза (крекинга) аммиака и последующей диффузии водорода 13 через стенки капсул 8. Аммиак содержит приблизительно в 1,7 раз больше водорода по сравнению с жидким водородом на единицу объема, тем самым позволяя более эффективно транспортировать водородное топливо. Термолиз (крекинг) аммиака в капсуле 8 может быть проведен в соответствии с реакцией: 2NH3→3Н2+N2.In the
Для ускорения реакции термолиза могут применяться катализаторы, например, включающие вступление катализатора для крекинга аммиака в контакт с аммиаком при условиях, эффективных для создания азота и водорода 13, катализатор крекинга аммиака содержит (1) сплав, имеющий общую формулу Zr1-xTixM1M2, где M1 и М2 выбраны независимо из группы, состоящей из Cr, Mn, Fe, Со и Ni, а х имеет значение между 0,0 и 1,0 включительно, и (2) приблизительно между 20 и 50% по весу Al, как описано в патенте РФ №2173295, опубл. 10.09.2001. Подобные катализаторы позволяют провести термолиз аммиака на 95% и более.Catalysts can be used to accelerate the thermolysis reaction, for example, involving contacting the catalyst for ammonia cracking with ammonia under conditions effective to create nitrogen and
Заполнение капсул азотом 19 производят в газонаполнителе 20. С этой целью капсулы 8 могут быть выполнены с использованием технических решений, описанных, например, в патенте RU 2171765, опубл. 10.08.2001, или в патенте RU 2173661, опубл. 20.09.2001. В частности, уплотнение выпускного канала капсулы 8 может быть выполнено в виде клапана, снабженного упругим элементом, открывающим выпуск газа из капсулы 8 только при превышении давления внутри капсулы 8 давления окружающей капсулу среды на заданную величину. Корпус капсулы 8 может быть выполнен в виде цилиндра, соединенного из двух или более частей. Клапан капсулы 8 может быть размещен на стыке частей корпуса. Выпускной канал капсулы 8 может быть снабжен нажимным клапаном с подпружиненным подвижным элементом в виде втулки или штока, выполненным с возможностью герметичного соединения капсулы 8 и корпуса генератора водорода 12 и пропуска газа из капсулы 8 в корпус водорода 12 при нажатии на подпружиненный подвижный элемент. При этом следует предусмотреть диффузионный отделитель водорода внутри капсулы 8.Filling the capsules with
Пример 2.Example 2
В примере 2 реализации изобретения в качестве реакционного газа используют не азот, как в первом примере, а бензол, возможно в смеси с другими ароматическими углеводородами. При этом аккумулирование водорода производят в виде циклогексана, образующегося при гидрировании бензола внутри капсул 8, помещенных в аккумулятор водорода 7, заполненный нагретым синтез-газом 6. Циклогексан С6Н12 (жидкость с т.кип. 80,7°С) внутри капсул 8 при охлаждении в коллекторе 10 конденсируется, что позволяет использовать тонкостенные капсулы 8.In example 2 of the invention, the reaction gas used is not nitrogen, as in the first example, but benzene, possibly in a mixture with other aromatic hydrocarbons. In this case, hydrogen accumulation is carried out in the form of cyclohexane, which is formed during the hydrogenation of benzene inside
Гидрирование бензола внутри капсул 8 протекает с выделением тепла (ΔН=-49 ккал). Гидрирование бензола проводят как при низком парциальном давлении водорода в синтез-газе 6, так и при среднем и высоком давлении. Наиболее выгодно в техноэкономическом отношении является, по-видимому, проведение процесса при высоком давлении: до 20-30 МПа и при температуре 260-360°С. При более низких температурах равновесие обратимой реакции сдвигается вправо, но значительно уменьшается скорость реакции связывания продиффундировавшего в капсулу 8 водорода в реакции каталитического гидрирования ароматических углеводородов: C6H5R+3H2=C6H11R, где R=Н, СН3, С2Н5, С3Н7.Hydrogenation of benzene inside the
Как правило, молярное отношение водорода к бензолу в исходной реакционной смеси, может составлять от 3:1 до 15:1, предпочтительно - 10:1 при использовании катализатора гидрогенизации, который, как правило, представляет собой металл VIII группы Периодической таблицы элементов в качестве главного каталитического компонента по отдельности или вместе с промоторами и модификаторами, такими как палладий/золото, палладий/серебро, кобальт/цирконий, никель, предпочтительно осажденные на носителе, таком как оксид алюминия, углерод, диоксид кремния и т.п. (патент РФ №2235086, опубл. 27.08.2004). Как показано экспериментально, применение катализатора Crosfield НТС-400 (12% никеля на глиноземе) позволяет достичь глубины синтеза циклогексана на уровне 99% масс.As a rule, the molar ratio of hydrogen to benzene in the initial reaction mixture can be from 3: 1 to 15: 1, preferably 10: 1 when using a hydrogenation catalyst, which, as a rule, is a metal of group VIII of the Periodic table of elements as the main the catalyst component individually or together with promoters and modifiers such as palladium / gold, palladium / silver, cobalt / zirconium, nickel, preferably deposited on a carrier such as alumina, carbon, silicon dioxide and the like. (RF patent No. 2235086, publ. 08/27/2004). As shown experimentally, the use of the Crosfield NTS-400 catalyst (12% nickel on alumina) allows one to achieve a cyclohexane synthesis depth of 99% by mass.
В генераторе водорода 12 водород 13 выделяется из капсул 8 при их нагреве тепловой энергией за счет выделения связанного водорода в реакции каталитического дегидрирования содержащихся в капсуле 8 циклогексановых углеводородов: C6H11R=C6H5R+3Н2, где R=Н, СН3, С2Н5, С3Н7 в присутствии катализаторов, содержащих металл(ы) платиновой группы. Реакция осуществляется при высоких объемных скоростях в диапазоне температур 300-500°С, как описано в патенте РФ №2160698, опубл. 10.12.2000. Применение для осуществления данной реакции промышленных платиновых катализаторов, например процесса каталитического риформинга, обеспечивает селективность процесса дегидрирования нафтеновых углеводородов, близкую к 100 мол. %. Данное обстоятельство является предпосылкой получения водорода высокой чистоты (>99 мол. %). Капсулы 8, освобожденные от водорода 13 в генераторе водорода 12 системой отгрузки капсул 11, возвращают в коллектор 10, откуда путем подачи капсул 9 в аккумулятор водорода 7 капсулы 8 направляют на повторное поглощение водорода реакционным газом.In
Таким образом, указанный способ позволит создать условия эффективного повышения коэффициента использования энергоресурсов с возможностью поддерживать сниженный расход энергоресурсов, уменьшить затраты на прокачку и потери, связанные с выбросом избыточного тепла в атмосферу, улучшить экономические показатели аккумулирования водорода, создать условия эффективного применения водорода.Thus, this method will create the conditions for an effective increase in the utilization of energy resources with the ability to maintain reduced energy consumption, reduce pumping costs and losses associated with the release of excess heat into the atmosphere, improve the economic indicators of hydrogen storage, and create conditions for the efficient use of hydrogen.
Claims (12)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015128129/05A RU2604228C1 (en) | 2015-07-13 | 2015-07-13 | Method of accumulating hydrogen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015128129/05A RU2604228C1 (en) | 2015-07-13 | 2015-07-13 | Method of accumulating hydrogen |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2604228C1 true RU2604228C1 (en) | 2016-12-10 |
Family
ID=57776782
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015128129/05A RU2604228C1 (en) | 2015-07-13 | 2015-07-13 | Method of accumulating hydrogen |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2604228C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU798031A1 (en) * | 1975-04-07 | 1981-01-23 | Предприятие П/Я Р-6603 | Method of producing ammonia and methanol |
SU1074815A1 (en) * | 1982-11-15 | 1984-02-23 | Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.А.Бонч-Бруевича | Method for recovering atoms and ions of hydrogen from gas mixtures |
RU2274600C1 (en) * | 2004-09-03 | 2006-04-20 | ООО "Центр КОРТЭС" | Multistage synthesis gas generation process |
DE102010010822A1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-09-15 | Eads Deutschland Gmbh | Device, useful for producing hydrogen gas by dehydrogenating hydrocarbon fuel, comprises fuel reservoir connected with reactor via fuel supplying line to supply fuel from reservoir into reactor, and heating device for heating supplied fuel |
RU2440290C2 (en) * | 2006-06-12 | 2012-01-20 | Си. Эн. Лимитед | Device and cartridge for storage of compressed hydrogen gas |
FR2950045B1 (en) * | 2009-09-17 | 2012-10-12 | Mcphy Energy | STORAGE AND STORAGE TANK FOR HYDROGEN AND / OR HEAT |
-
2015
- 2015-07-13 RU RU2015128129/05A patent/RU2604228C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU798031A1 (en) * | 1975-04-07 | 1981-01-23 | Предприятие П/Я Р-6603 | Method of producing ammonia and methanol |
SU1074815A1 (en) * | 1982-11-15 | 1984-02-23 | Ленинградский Электротехнический Институт Связи Им.Проф.М.А.Бонч-Бруевича | Method for recovering atoms and ions of hydrogen from gas mixtures |
RU2274600C1 (en) * | 2004-09-03 | 2006-04-20 | ООО "Центр КОРТЭС" | Multistage synthesis gas generation process |
RU2440290C2 (en) * | 2006-06-12 | 2012-01-20 | Си. Эн. Лимитед | Device and cartridge for storage of compressed hydrogen gas |
FR2950045B1 (en) * | 2009-09-17 | 2012-10-12 | Mcphy Energy | STORAGE AND STORAGE TANK FOR HYDROGEN AND / OR HEAT |
DE102010010822A1 (en) * | 2010-03-10 | 2011-09-15 | Eads Deutschland Gmbh | Device, useful for producing hydrogen gas by dehydrogenating hydrocarbon fuel, comprises fuel reservoir connected with reactor via fuel supplying line to supply fuel from reservoir into reactor, and heating device for heating supplied fuel |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Andersson et al. | Large-scale storage of hydrogen | |
KR102247199B1 (en) | Method for producing high purity hydrogen from ammonia, apparatus therefor and on-site type module system thereof | |
CN100417588C (en) | Process of preparing high purity hydrogen with liquid hydrocarbon in a palladium film reactor | |
JP2013095618A (en) | Method and apparatus for producing hydrogen | |
Kim et al. | Highly selective Pd composite membrane on porous metal support for high-purity hydrogen production through effective ammonia decomposition | |
Calabrese et al. | Formate/bicarbonate interconversion for safe hydrogen storage: A review | |
Iulianelli et al. | Production of hydrogen via glycerol steam reforming in a Pd‐Ag membrane reactor over Co‐Al2O3 catalyst | |
CN101823692B (en) | Reversible hydrogen adsorption and desorption method using piperidine as media and device | |
Southall et al. | Hydrogen Storage and Transportation Technologies to Enable the Hydrogen Economy: Liquid Organic Hydrogen Carriers: Overview and perspectives on liquid organic hydrogen carriers technology | |
Guo et al. | Efficient hydrogen recovery and purification from industrial waste hydrogen to high-purity hydrogen based on metal hydride powder | |
US8663857B2 (en) | Process for the production of hydrogen by catalyzed hydrolysis of a complex hydride, and facility with semi continuous reactor for carrying out the method | |
RU2604228C1 (en) | Method of accumulating hydrogen | |
Cooper et al. | An integrated hydrogen storage and delivery approach using organic liquid-phase carriers | |
US9878907B2 (en) | System and method to produce hydrogen | |
US9493349B2 (en) | High and rapid hydrogen release from thermolysis of ammonia borane near PEM fuel cell operating temperature | |
WO2013039419A1 (en) | Methane-hydrogen mixture production process | |
JP4598994B2 (en) | Carbon dioxide reduction equipment | |
CA2829868C (en) | Non-co2 emitting manufacturing method for synthesis gas | |
RU2515477C2 (en) | Method of obtaining hydrogen | |
US20100160149A1 (en) | Method of activating or regenerating a hydrogen storage material | |
RU2274600C1 (en) | Multistage synthesis gas generation process | |
Wang et al. | Thermodynamic assessment of membrane-assisted chemical looping reforming of glycerol | |
JP2009091165A (en) | Hydrogen supply system | |
KR20150137070A (en) | Methods and systems for making metal hydride slurries | |
Stepanenko et al. | Nickel-tin alloy catalysts for liquid organic hydrogen carrier dehydrogenation |