RU2786070C1 - Способ получения водорода - Google Patents
Способ получения водорода Download PDFInfo
- Publication number
- RU2786070C1 RU2786070C1 RU2021132654A RU2021132654A RU2786070C1 RU 2786070 C1 RU2786070 C1 RU 2786070C1 RU 2021132654 A RU2021132654 A RU 2021132654A RU 2021132654 A RU2021132654 A RU 2021132654A RU 2786070 C1 RU2786070 C1 RU 2786070C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydrogen
- natural gas
- carbon
- tapes
- gas
- Prior art date
Links
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 39
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 10
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title abstract description 36
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 20
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims abstract description 17
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000011888 foil Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 230000003334 potential Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical class [H]* 0.000 claims 2
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 abstract description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 10
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 6
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 abstract 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 abstract 1
- 238000004642 transportation engineering Methods 0.000 abstract 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 239000012190 activator Substances 0.000 description 9
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 238000000629 steam reforming Methods 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 4
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 description 2
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 1
- 125000004432 carbon atoms Chemical group C* 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005262 decarbonization Methods 0.000 description 1
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000004817 gas chromatography Methods 0.000 description 1
- KLGZELKXQMTEMM-UHFFFAOYSA-N hydride Chemical compound [H-] KLGZELKXQMTEMM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000002296 pyrolytic carbon Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000004071 soot Substances 0.000 description 1
- 239000010457 zeolite Substances 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение может быть использовано для получения газообразного чистого водорода в установках, связанных с системами транспортировки газа. Способ получения водорода из природного газа включает нагрев лент из углеродной фольги в герметичной водоохлаждаемой камере прямым пропусканием электрического тока и термическое разложение природного газа в зазоре между двумя параллельными углеродными лентами. Природный газ предварительно проходит осушку от паров воды. Между лентами из углеродной фольги создают разность электрических потенциалов. Выделенный из реакционной камеры циклическим образом водород через компрессор подают в сосуд высокого давления. В результате пиролиза природного газа также образуется пироуглерод. Изобретение позволяет исключить выделение диоксида углерода при получении чистого водорода из природного газа. 2 ил., 1 пр.
Description
Изобретение относится к области выделения водорода из природного газа.
В настоящее время в мире потребляется до 80 млн. тонн водорода, из которых более 70% производится из природного газа (ПГ). Лишь ничтожная доля (0,1%) водорода производится при электролизе воды. Это обусловлено тем, что себестоимость водорода в этом случае в 3 -5 раз превышает тот же показатель для водорода, получаемого при пиролизе ПГ. При использовании водорода в качестве моторного топлива исключительно важна степень его чистоты, поскольку сгорание промежуточных продуктов распада углеводородов приводит к образованию нагара на деталях двигателей и снижению их ресурса.
В связи с обозначенной целью настоящего изобретения следует обратить внимание на степень чистоты используемого в двигателях водорода. Согласно действующему ГОСТ Р 51673-2000 в водороде 1 сорта допускается следующее содержание сторонних примесей: суммарная объемная доля кислорода и аргона - не более 0,0002%, метана - не более 0,0005%, паров воды - не более 0,0002%. Для обеспечения столь жестких технических требований аппараты для пиролиза ПГ снабжают дополнительными устройствами для более глубокой очистки водорода.
Наиболее рациональным вариантом является декарбонизация ПГ в местах конечного потребления водорода и использование существующих газотранспортных систем для доставки сырьевого ПГ к местам производства водородв, максимально приближенным к потребителям. Транспорт водорода или его смеси с метаном не является оптимальным решением как по причине утечек газа, так и вследствие водородного охрупчивания сварных швов трубопроводов.
Известен способ получения водорода (по патенту РФ №2509720 от 20.03.2014) [1], включающий получение синтез-газа в установке парового рифор-минга углеводородной загрузки, паровую конверсию полученного синтез-газа с получением потока водорода, содержащего метан и диоксид углерода, улавливание диоксида углерода, присутствующего в потоке улавливания и возврат на паровой риформинг метана, СО и СO2, присутствующих в потоке водорода. Изобретение позволяет повысить чистоту водорода и использовать примеси в процессе парового риформинга.
К недостаткам способа [1] относится использование парового риформинга ПГ согласно формуле СН4+Н2О + тепло → СО+3Н2 с последующей конверсией водяного газа по реакции СО+Н2О → СО2+Н2. При этом в потоке водорода неизбежно присутствие СО и СО2, что требует дополнительных усилий и применения дорогостоящего технологического оборудования для их удаления.
Известен также способ (по патенту РФ №2694033 от 2019 г.) [2] выделения водорода из метана или метаносодержащего газа, включающий разложение метана в электрическом разряде и выделение водорода из продуктов разложения метана - водородосодержащих газов - путем его химического связывания в гидриде металла или сплава с последующим его термическим дегидрированием, характеризующийся тем, что выделение водорода производится путем плазменного осаждения гидридного покрытия на носитель.
Способ [2] позволяет получать водород при пиролизе метана в СВЧ разряде, но лишь в связанном химически состоянии (в составе гидрида металла). Поэтому нет оснований рассчитывать на возможность получения газообразного водорода в значительных количествах.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятым за прототип является способ пиролитического выращивания нанокристаллических слоев графита (по патенту РФ №2429315 от 20.09.2011 г. ) [3], включающий нагрев лент из углеродной фольги в герметичной водоохлаждаемой камере прямым пропусканием электрического тока и термическое разложение природного газа в узком зазоре между двумя параллельными углеродными лентами при давлении в диапазоне от 10 до 30 Торр. Данный способ изначально предназначался для пиролитического получения слоев графита, а неизбежно выделяющийся в этом процессе водород рассматривался как побочный продукт, дожигаемый за пределами реакционной камеры и не подлежащий утилизации. Однако, изложенные ниже аргументы показывают, что количество выделяемого газообразного и высокочистого водорода может быть достаточным для промышленного интереса. Способ [3] изначально является «сухим», т.е. при его осуществлении не используется паровой риформинг и не выделяется диоксид углерода, способствующий развитию парникового эффекта в атмосфере.
К недостаткам способа [3] применительно к задаче настоящего изобретения относятся использование полированной пластины монокристаллического кремния, необходимой для получения нанокристаллов углерода, а также крайне узкий диапазон давлений реакционного газа, также необходимый для этих целей. Задачей настоящего изобретения является создание эффективного и экологически безопасного способа получения чистого водорода из природного газа.
Техническим результатом настоящего изобретения является получение водорода путем прямого разложения ПГ без использования парового риформинга, что практически исключает выделение диоксида углерода при проведении процесса.
Для достижения указанного технического результата в известном способе, включающем нагрев лент из углеродной фольги в герметичной водоохлаждаемой камере прямым пропусканием электрического тока и термическое разложение углеводородного реагента, причем в узком зазоре между двумя параллельными углеродными лентами размещают полированную кремниевую пластину, нагревая ее до температуры 1200-1350°С, а в качестве углеводородного реагента используют метан при давлении в диапазоне от 10 до 30 Торр, кремниевая пластина не используется, подаваемый в реакционную камеру природный газ предварительно осушают от паров воды, между нагретыми угдеродными лентами создают разность электрических потенциалов, а выделенный из природного газа водород циклическим образом подают из камеры в сосуд высокого давления.
Как известно, содержание метана в ПГ достигает 98% об. Предлагаемый процесс отличается от обычного термического пиролиза метана тем, что в реакционной камере используется активатор пиролиза, образованный нагретыми параллельными углеродными лентами, между которыми создают разность потенциалов. Это позволяет утверждать о совмещении в одном процессе термического пиролиза с электролизом. На характер процесса оказывает влияние то обстоятельство, что не используется тепловая изоляция и пиролизуемый ПГ практически мгновенно соприкасается с нагретыми до высокой температуры элементами активатора, минуя зоны с промежуточной, более низкой температурой. Это обстоятельство позволяет обеспечить одностадийную схему распада молекулы метана по реакции СН4 → С-4+4Н+1. При этом в созданном активатором электрическом поле отрицательно заряженные атомы углерода внедряются в материал углеродных лент, а атомарный водород поступает в объем реакционной камеры, где менее чем за 1 сек переходит в молекулярную форму Н2. Следует отметить, что одновременно с одностадийной схемой возможен промежуточный распад молекулы метана с образованием однозарядного комплекса метила СН3 -1, также внедряемого в материал углеродных лент. Описанное разделение химических элементов при пиролизе ПГ с применением электрического активатора справедливо и для других примесных содержимых ПГ.
Схема реакционной камеры приведена на Фиг. 1. Внутри герметичного водоохлаждаемого корпуса 1 размещен активатор пиролиза, содержащий верхнюю ленту 2 из углеродной фольги, нижнюю ленту 3 и две изолирующие прокладки 4 между лентами. Напряжение нагрева подается к нижней ленте 3 через два электрода 5. Откачка камеры 1 проводится форвакуумным насосом через отверстие 6. Напряжение смещения U подается между лентами 2 и 3 с помощью прижимных контактов. Это напряжение может быть как постоянным, так и переменным промышленной частоты 50 Гц. На схеме обозначен ток I1, нагревающий нижнюю ленту, и ток I2, протекающий через ионизированный газ в зазоре между лентами.
Блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа приведена на Фиг. 2. Поток природного газа 7 поступает в камеру 1 через цеолитовую ловушку 8, через вентиль V1. Камера снабжена натекателем V2 для напуска воздуха. Через вентиль V3 камера 1 может откачиваться форвакуумным насосом 9. Полученный по завершению цикла пиролиза водород через вентиль V4 передают в компрессор 10, а из него через вентиль V5 в сосуд высокого давления (баллон) 11.
Производительность способа по выходу водорода определяется объемом реакционной камеры и площадью поверхности активатора пиролиза. По мере насыщения лент активатора пироуглеродом необходимо производить их замену.
Пример использования способа
Вакуумную камеру, содержащую активатор из двух лент углеродной фольги марки PAPYEX, откачали форвакуумным насосом, затем вентиль откачки перекрыли и включили нагрев активатора и подали напряжение смещения величиной 36 В между его лентами. Через 3 минуты камеру заполнили осушенным природным газом до давления 170 Торр. Через 10 минут после увеличения давления до 670 Торр провели перекачку водорода из камеры в баллон с помощью компрессора. Далее циклы повторяли вплоть до полного заполнения баллона до давления 150 атм.
Анализ проб водорода методом газовой хроматографии показал его соответствие требованиям ГОСТ Р 51673-2000.
Claims (1)
- Способ получения водорода, включающий нагрев лент из углеродной фольги в герметичной водоохлаждаемой камере прямым пропусканием электрического тока и термическое разложение природного газа в зазоре между двумя параллельными углеродными лентами, отличающийся тем, что природный газ предварительно проходит осушку от паров воды, между лентами из углеродной фольги создается разность электрических потенциалов, а выделенный из реакционной камеры циклическим образом водород через компрессор подается в сосуд высокого давления.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2786070C1 true RU2786070C1 (ru) | 2022-12-16 |
Family
ID=
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4410504A (en) * | 1982-04-30 | 1983-10-18 | United Technologies Corporation | Method of producing high density carbon |
| RU2317943C2 (ru) * | 2005-12-20 | 2008-02-27 | ОАО "Томскгазпром" | Способ получения углерода и водорода из углеводородного газа и устройство для его осуществления |
| RU2349545C2 (ru) * | 2006-05-06 | 2009-03-20 | Анатолий Валентинович Александров | Установка для получения технического углерода и водорода |
| CN101701274A (zh) * | 2008-04-30 | 2010-05-05 | 樊显理 | 氢冶金 |
| RU2414418C2 (ru) * | 2008-07-14 | 2011-03-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Способ получения водорода и углеродных нанотрубок из углеводородного газа |
| RU2429315C1 (ru) * | 2010-03-12 | 2011-09-20 | Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) | Способ пиролитического выращивания нанокристаллических слоев графита |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4410504A (en) * | 1982-04-30 | 1983-10-18 | United Technologies Corporation | Method of producing high density carbon |
| RU2317943C2 (ru) * | 2005-12-20 | 2008-02-27 | ОАО "Томскгазпром" | Способ получения углерода и водорода из углеводородного газа и устройство для его осуществления |
| RU2349545C2 (ru) * | 2006-05-06 | 2009-03-20 | Анатолий Валентинович Александров | Установка для получения технического углерода и водорода |
| CN101701274A (zh) * | 2008-04-30 | 2010-05-05 | 樊显理 | 氢冶金 |
| RU2414418C2 (ru) * | 2008-07-14 | 2011-03-20 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации | Способ получения водорода и углеродных нанотрубок из углеводородного газа |
| RU2429315C1 (ru) * | 2010-03-12 | 2011-09-20 | Учреждение Российской академии наук ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА РАН (ИФТТ РАН) | Способ пиролитического выращивания нанокристаллических слоев графита |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hiraoka et al. | Formation of formaldehyde by the tunneling reaction of H with solid CO at 10 K revisited | |
| US20080156630A1 (en) | Apparatus and Method for Producing Hydrogen Gas by Microwave Plasma Discharge | |
| Bulychev et al. | Plasma discharge in liquid phase media under ultrasonic cavitation as a technique for synthesizing gaseous hydrogen | |
| US4460673A (en) | Method of producing amorphous silicon layer and its manufacturing apparatus | |
| US20120318661A1 (en) | Method for Modification of a Methane-Containing Gas Stream | |
| FR2768424A1 (fr) | Assistance electrique d'oxydation partielle d'hydrocarbures legers par l'oxygene | |
| US20130323157A1 (en) | Apparatus and Methods for the Synthesis of Graphene by Chemical Vapor Deposition | |
| US1339225A (en) | Process of manufacturing gaseous fuel | |
| RU2786070C1 (ru) | Способ получения водорода | |
| Saito et al. | Diamond synthesis from CO-H 2 mixed gas plasma | |
| SG173082A1 (en) | Providing gas for use in forming a carbon nanomaterial | |
| KR101698794B1 (ko) | 탄화수소의 생성 방법 | |
| Benzi et al. | Gas phase ion-molecule reactions of monogermane with carbon oxides and ethylene: formation of germanium-carbon bonds | |
| KR101538211B1 (ko) | 글라이딩 아크 플라즈마트론 및 이를 이용한 이산화탄소 저감 시스템 | |
| US20190247781A1 (en) | Method and installation for obtaining hydrogen | |
| Ichimura et al. | Development of a continuous generation/supply system of highly concentrated ozone gas for low-temperature oxidation process | |
| JP5136827B2 (ja) | 水素の製造方法 | |
| KR20220015180A (ko) | 탄소 연료를 이용한 수소 또는 수소 합성 가스의 생산방법 및 이의 생산장치 | |
| Junior et al. | OES during reforming of methane by microwave plasma at atmospheric pressure | |
| JP5641814B2 (ja) | 水素発生装置並びにその装置を用いた自動車用燃料発電装置 | |
| Arabi et al. | Syngas production by plasma treatments of alcohols, bio-oils and wood | |
| RU2085476C1 (ru) | Способ получения особо чистого водорода и установка для его осуществления | |
| Rudder et al. | Formation of diamond films from low pressure radio frequency induction discharges | |
| PL209944B1 (pl) | Układ do produkcji wodoru | |
| RU2803731C1 (ru) | Способ выделения водорода из метана или метаносодержащего газа |