RU2810591C1 - Method for producing hydrogen-containing fuel gas with electrical plasma-chemical and high-temperature methane conversion and device for its implementation - Google Patents
Method for producing hydrogen-containing fuel gas with electrical plasma-chemical and high-temperature methane conversion and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810591C1 RU2810591C1 RU2022134285A RU2022134285A RU2810591C1 RU 2810591 C1 RU2810591 C1 RU 2810591C1 RU 2022134285 A RU2022134285 A RU 2022134285A RU 2022134285 A RU2022134285 A RU 2022134285A RU 2810591 C1 RU2810591 C1 RU 2810591C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- chamber
- gas
- stage
- supplied
- hydrogen
- Prior art date
Links
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 138
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 48
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 44
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 title claims abstract description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 79
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 65
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 claims abstract description 42
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 13
- 238000007865 diluting Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000012190 activator Substances 0.000 claims description 24
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 6
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000005979 thermal decomposition reaction Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к способу получения водородсодержащего газообразного топлива для энергетических и приводных газотурбинных установок с электрической и высокотемпературной конверсией метана природного газа.The invention relates to a method for producing hydrogen-containing gaseous fuel for power and drive gas turbine plants with electrical and high-temperature conversion of methane from natural gas.
Актуально повышение экономичности и экологичности газотурбинных установок за счет увеличения содержания водорода в конвертированном топливном природном газе (Производство водорода из природного газа. machromol.kiev.ua/2012/08/proizvodstvodstvo-vodoroda-iz-prirodnogo-gaza/).It is important to increase the efficiency and environmental friendliness of gas turbine units by increasing the hydrogen content in converted fuel natural gas (Production of hydrogen from natural gas. machromol.kiev.ua/2012/08/proizvodstvodstvo-vodoroda-iz-prirodnogo-gaza/).
В патенте РФ № 2639397 предложен способ работы газотурбинной установки с использованием топлива метаносодержащей парогазовой смеси. В камеру сгорания подают сжатый воздух и метаносодержащую парогазовую смесь. Теплоту уходящих газов газотурбинной установки используют для выработки перегретого пара высокого давления, его смешивают с природным газом, полученную газопаровую смесь подогревают теплом уходящих газов газовой турбины и пропускают через первый адиабатический каталитический реактор увеличивая до 5% содержание водорода в полученной метано-водородной парогазовой смеси, которую последовательно нагревают до 620 – 680°С теплом выхлопных газов газовой турбины и теплом охлаждения камеры сгорания и подают во второй адиабатический каталитический реактор, увеличивая содержание водорода в метано-водородной смеси выше 20%. Эту смесь подают, как топливный газ, в камеру сгорания газотурбинной установки. Недостатками этого способа является применение двух адибатических каталитических реакторов, увеличивающих стоимость газотурбинной установки, а также недостаточно высокое содержание водорода вметано-водородной смеси. RF Patent No. 2639397 proposes a method for operating a gas turbine unit using a methane-containing steam-gas mixture fuel. Compressed air and a methane-containing vapor-gas mixture are supplied to the combustion chamber. The heat of the exhaust gases of a gas turbine unit is used to generate superheated high-pressure steam, it is mixed with natural gas, the resulting gas-steam mixture is heated with the heat of the exhaust gases of the gas turbine and passed through the first adiabatic catalytic reactor, increasing the hydrogen content in the resulting methane-hydrogen vapor-gas mixture to 5%. successively heated to 620 - 680°C by the heat of the gas turbine exhaust gases and the cooling heat of the combustion chamber and fed into the second adiabatic catalytic reactor, increasing the hydrogen content in the methane-hydrogen mixture above 20%. This mixture is supplied as fuel gas into the combustion chamber of a gas turbine unit. The disadvantages of this method are the use of two adibatic catalytic reactors, which increase the cost of the gas turbine unit, as well as the insufficiently high hydrogen content of the methane-hydrogen mixture.
Известен способ получения водородсодержащего газа из природного газа и перегретого пара (Патент РФ №2740755), который осуществляют в три этапа. На первом этапе этого способа перегретый пар высокого давления смешивают с природным газом, при весовом соотношении пара и природного газа 7:1, полученную паро-метановую смесь нагревают до температуры 500-550°С теплом уходящих газов газовой турбины и подают в адиабатический каталитический реактор, где производят паровую каталитическую конверсию паро-метановой смеси с образованием паро-метано-водородной смеси, содержащей до 5% водорода. На втором этапе эту смесь и сжатый воздух подают в первую ступень (форкамеру) камеры сгорания, в горелки которой подают природный газ, сжигают полученную «богатую» топливно-воздушную смесь, при коэффициенте избытка воздуха 0,6-0,7, повышая температуру продуктов сгорания до 1300-1350°С и повышая в них долю водорода до 15-20%. На третьем этапе способа, в камере дожигания камеры сгорания сжигают «бедную» топливно-воздушную смесь, при коэффициенте избытка воздуха 1,5-2,5, и повышают долю водорода в продуктах сгорания выше 20%. Затем их разбавляют сжатым воздухом и снижают до требуемой температуру газа перед газовой турбиной.There is a known method for producing hydrogen-containing gas from natural gas and superheated steam (RF Patent No. 2740755), which is carried out in three stages. At the first stage of this method, superheated high-pressure steam is mixed with natural gas, with a weight ratio of steam and natural gas of 7:1, the resulting steam-methane mixture is heated to a temperature of 500-550 ° C with the heat of the exhaust gases of a gas turbine and fed into an adiabatic catalytic reactor, where steam catalytic conversion of a steam-methane mixture is performed to form a steam-methane-hydrogen mixture containing up to 5% hydrogen. At the second stage, this mixture and compressed air are fed into the first stage (prechamber) of the combustion chamber, into the burners of which natural gas is supplied, the resulting “rich” fuel-air mixture is burned, with an excess air ratio of 0.6-0.7, increasing the temperature of the products combustion up to 1300-1350°C and increasing the proportion of hydrogen in them to 15-20%. At the third stage of the method, in the afterburning chamber of the combustion chamber, a “lean” fuel-air mixture is burned, with an excess air ratio of 1.5-2.5, and the proportion of hydrogen in the combustion products is increased above 20%. They are then diluted with compressed air and the gas temperature in front of the gas turbine is reduced to the required temperature.
Недостатком способа является применение перегретого водяного пара и адиабатического каталитического реактора. The disadvantage of this method is the use of superheated water steam and an adiabatic catalytic reactor.
Известен электрический активатор природного газа, в котором метан, содержащийся в природном газе, подвергается конверсии с образованием из него синтез-газа, состоящего из водорода и окиси углерода. Этот электрический активатор топлива является плазмоэлектрическим реактором конверсии метана. (Дудышев В.Д. Универсальный электрический активатор топлива для транспорта и теплоэнергетики. www.sciteclibrery.ru/text). Внешний корпус электрического плазмохимического реактора выполнен в виде заземленной стальной трубы. Внутри корпуса находится центральный электрод, связанный соединительным электродом с электрическим блоком высокого напряжения 20 – 40 кВ. Поток природного газа, содержащего метан, проходит через зону коронного электрического разряда высокого напряжения с образованием синтез-газа, который получен при плазмохимической конверсии метана.An electrical activator of natural gas is known, in which the methane contained in natural gas undergoes conversion to form synthesis gas consisting of hydrogen and carbon monoxide. This electrical fuel activator is a plasma-electric methane conversion reactor. (Dudyshev V.D. Universal electric fuel activator for transport and thermal power engineering. www.sciteclibrery.ru/text). The outer casing of the electric plasma-chemical reactor is made in the form of a grounded steel pipe. Inside the housing there is a central electrode connected by a connecting electrode to a high voltage electrical unit of 20 - 40 kV. A flow of natural gas containing methane passes through a high-voltage corona electrical discharge zone with the formation of synthesis gas, which is obtained through plasma-chemical conversion of methane.
Недостатком применения плазмоэлектрического реактора - активатора для конверсии природного газа, является недостаточная доля водорода содержащегося в получаемом синтез-газе. The disadvantage of using a plasmaelectric reactor-activator for the conversion of natural gas is the insufficient proportion of hydrogen contained in the resulting synthesis gas.
Известно, что при повышении температуры природного газа выше 900°С, содержащийся в нем метан подвергается термическому разложению с выделением водорода. (chem21.info).It is known that when the temperature of natural gas rises above 900°C, the methane it contains undergoes thermal decomposition with the release of hydrogen. (chem21.info).
Известен «Многоступенчатый способ получения водородсодержащего газообразного топлива и тепло-газогенераторная установка для его реализации (способ Аракеляна Г.Г.)» патент РФ № 2478688. В этом способе получение водородсодержащего газообразного топлива осуществляют многостадийно. На первом этапе способа, из воды, за счет подвода тепла, получают перегретый пар, его смешивают с углеводородным компонентом, полученную при этом паро-углеродную смесь нагревают до температуры образования из нее водородсодержащего газа. На второй ступени этого способа поджигают водородсодержащий газ, повышают температуру факела до 1000-1300°С, производя первую стадию высокотемпературную конверсию метана с получением из него небольшой доли водорода, на третьей стадии способа производят дожигание этой газовой смеси, повышая температуру факела до 2000 - 2100°С и осуществляя вторую стадию высокотемпературной конверсии метана, содержащегося в продуктах сгорания с увеличением доли водорода в полученном водородсодержащем газообразном топливе. The known “Multistage method for producing hydrogen-containing gaseous fuel and a heat-gas generator installation for its implementation (G.G. Arakelyan method)” RF patent No. 2478688. In this method, the production of hydrogen-containing gaseous fuel is carried out in multi-stages. At the first stage of the method, superheated steam is obtained from water due to the supply of heat, it is mixed with a hydrocarbon component, and the resulting steam-carbon mixture is heated to the temperature at which hydrogen-containing gas is formed from it. At the second stage of this method, hydrogen-containing gas is ignited, the temperature of the torch is increased to 1000-1300 ° C, performing the first stage of high-temperature conversion of methane to produce a small proportion of hydrogen from it, at the third stage of the method this gas mixture is burned, increasing the temperature of the torch to 2000 - 2100 °C and carrying out the second stage of high-temperature conversion of methane contained in combustion products with an increase in the proportion of hydrogen in the resulting hydrogen-containing gaseous fuel.
Преимуществом многостадийного способа получения водородсодержащего газа, является использование в нем высокотемпературной конверсии метана, без применения специальных катализаторов.The advantage of a multi-stage method for producing hydrogen-containing gas is the use of high-temperature methane conversion, without the use of special catalysts.
Недостатком способа является сложность его реализации, относительно невысокое содержание водорода в получаемой топливной газовой смеси и значительное содержание вредных веществ в продуктах ее сгорания. The disadvantage of this method is the complexity of its implementation, the relatively low hydrogen content in the resulting fuel gas mixture and the significant content of harmful substances in its combustion products.
В качестве прототипа, предполагаемого изобретения, принят многоступенчатый способ получения водородсодержащего газообразного топлива (патент РФ № 2478688) с использованием в этом способе высокотемпературной конверсии, а также и плазмо-электрической конверсии метана природного газа.As a prototype of the proposed invention, a multi-stage method for producing hydrogen-containing gaseous fuel (RF patent No. 2478688) using high-temperature conversion in this method, as well as plasma-electric conversion of natural gas methane, was adopted.
Техническим результатом предлагаемого способа, является получение из природного газа водородсодержащего топливного газа, устранение недостатков прототипа и аналогов, повышение экономичности и экологичности газотурбинных установок.The technical result of the proposed method is the production of hydrogen-containing fuel gas from natural gas, eliminating the shortcomings of the prototype and analogues, increasing the efficiency and environmental friendliness of gas turbine units.
Технический результат достигается тем, что способ получения водородсодержащего топливного газа, с электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсией метана, его реализуют в три этапа; на первом этапе природный газ с давлением 2,5 - 3 МПа подогревают теплом уходящих газов газовой турбины до 400 – 450°С, конвертируют в коронном электрическом разряде высокого напряжения 20 – 40 кВ с получением синтез-газа; на втором этапе способа в первую ступень камеры сгорания (форкамеру) газотурбинной установки подают меньшую часть воздуха сжатого в компрессоре, в горелки подают синтез-газ и природный газ подают в горелки форкамеры, полученную «богатую» метано-водородно-воздушную топливную смесь поджигают и производят ее неполное сгорание при коэффициенте избытка воздуха 0,6 – 0,7, температуру факела повышают до 1350 - 1400°С с термической конверсией метана и повышением доли водорода в продуктах сгорания до 5 – 7%; на третьем этапе способа во вторую ступень камеры сгорания (камеру дожигания) подают продукты сгорания из форкамеры и большую часть воздуха сжатого в компрессоре, полученную метано-водородно-воздушную смесь сжигают в камер дожигания при коэффициенте избытка воздуха 1,3 -1,5, повышают температуру продуктов сгорания смеси до 1950 - 2000°С и увеличивают долю водорода в продуктах сгорания до 20% за счет высокотемпературной термической конверсии метана; в продукты сгорания вышедшие из камеры дожигания подают разбавляющий сжатый воздух и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной; с помощью системы управления регулируют расход сжатого воздуха, подаваемого в форкамеру, расходы синтез-газа и природного газа подаваемого в ее горелки, расходы сжатого воздуха подаваемого в камеру дожигания ив ее продукты сгорания, а устройство для содержит газотурбинную установку с компрессором, двухступенчатую камеру сгорания, состоящую из первой ступени (форкамеры) с горелками и второй ступени (камеры дожигания), газовую турбину, теплообменник, электрический плазмохимический реактор-активатор, электрический блок высокого напряжения 20 – 40 кВ, устройство управления, связанное импульсными линиями с поворотными лопатками, с поворотными пластинами и с запорно-регулирующими задвижками; поворотные лопатки установлены на входе в форкамеру, горелки которой соединены через запорно-регулирующую задвижку с первым трубопроводом природного газа, а также соединены через запорно-регулирующую задвижку, корпус электрического термохимического реактора-активатора и теплообменник со вторым трубопроводом природного газа; на заземленном корпусе электрического термохимического реактора-активатора установлен магнит, в центральной части корпуса термохимического реактора-активатора установлен центральный электрод, связанный соединительным электродом с электрическим блоком высокого напряжения 20 – 40 кВ.The technical result is achieved by the fact that the method of producing hydrogen-containing fuel gas, with electrical plasma-chemical and high-temperature methane conversion, is implemented in three stages; at the first stage, natural gas with a pressure of 2.5 - 3 MPa is heated with the heat of the exhaust gases of a gas turbine to 400 - 450 ° C, converted in a high voltage corona electric discharge of 20 - 40 kV to produce synthesis gas; at the second stage of the method, a smaller part of the air compressed in the compressor is supplied to the first stage of the combustion chamber (prechamber) of the gas turbine unit, synthesis gas is supplied to the burners and natural gas is supplied to the burners of the prechamber, the resulting “rich” methane-hydrogen-air fuel mixture is ignited and produced its incomplete combustion at an excess air ratio of 0.6 - 0.7, the flame temperature is increased to 1350 - 1400 ° C with thermal conversion of methane and an increase in the proportion of hydrogen in the combustion products to 5 - 7%; at the third stage of the method, combustion products from the pre-chamber and most of the air compressed in the compressor are supplied to the second stage of the combustion chamber (afterburning chamber), the resulting methane-hydrogen-air mixture is burned in the afterburning chambers at an excess air ratio of 1.3 -1.5, increased the temperature of the combustion products of the mixture is up to 1950 - 2000°C and increases the proportion of hydrogen in the combustion products to 20% due to high-temperature thermal conversion of methane; diluting compressed air is supplied to the combustion products leaving the afterburning chamber and the required gas temperature is set in front of the gas turbine; using the control system, they regulate the flow of compressed air supplied to the prechamber, the flow of synthesis gas and natural gas supplied to its burners, the flow of compressed air supplied to the afterburning chamber and its combustion products, and the device for contains a gas turbine unit with a compressor, a two-stage combustion chamber, consisting of the first stage (pre-chamber) with burners and the second stage (afterburning chamber), gas turbine, heat exchanger, electric plasma-chemical reactor-activator, high voltage electrical unit 20 - 40 kV, control device connected by impulse lines with rotating blades, with rotating plates and with shut-off and control valves; rotary blades are installed at the entrance to the pre-chamber, the burners of which are connected through a shut-off and control valve to the first natural gas pipeline, and are also connected through a shut-off and control valve, the body of the electric thermochemical reactor-activator and a heat exchanger to the second natural gas pipeline; a magnet is installed on the grounded body of the electric thermochemical reactor-activator; in the central part of the body of the thermochemical reactor-activator there is a central electrode connected by a connecting electrode to a high-voltage electrical unit of 20 - 40 kV.
Схема устройства для реализации предлагаемого способа получения водородсодержащего топливного газа газотурбинной установки приведена на Фиг.1. Здесь: 1 – компрессор, 2 -камера сгорания, 3– первая ступень камеры сгорания (форкамера), 4 - вторая ступень камеры сгорания (камера дожигания), 5 – газовая турбина, 6 – поворотные лопатки, 7 – горелки, 8 - электрический плазмохимический реактор-активатор, 9 - электрический блок высокого напряжения, 10 – теплообменник, 11 – устройство управления, 12 - запорно-регулирующая задвижка на первом трубопроводе природного газа, 13–поворотные пластины, 14 – запорно-регулирующая задвижка на трубопроводе синтез-газа.A diagram of a device for implementing the proposed method for producing hydrogen-containing fuel gas of a gas turbine unit is shown in Figure 1. Here: 1 - compressor, 2 - combustion chamber, 3 - first stage of the combustion chamber (prechamber), 4 - second stage of the combustion chamber (afterburning chamber), 5 - gas turbine, 6 - rotary blades, 7 - burners, 8 - electric plasma-chemical reactor-activator, 9 - high-voltage electrical unit, 10 - heat exchanger, 11 - control device, 12 - shut-off and control valve on the first natural gas pipeline, 13 - rotary plates, 14 - shut-off and control valve on the synthesis gas pipeline.
На Фиг.2 изображена схема электрического плазмохимического реактора-активатора. Здесь 15 – корпус электрического плазмохимического реактора-активатора, 16– зона коронного электрического разряда, 17 – магнит, 18 - продольный центральный электрод, 19 – изолированный соединительный электрод, 20–камера входа подогретого природного газа.Figure 2 shows a diagram of an electrical plasma-chemical reactor-activator. Here 15 is the housing of the electric plasma-chemical reactor-activator, 16 is the corona electric discharge zone, 17 is the magnet, 18 is the longitudinal central electrode, 19 is the insulated connecting electrode, 20 is the heated natural gas inlet chamber.
Выход компрессора 1 связан с входом камеры сгорания 2 и через поворотные лопатки 6 с входом первой ступени камеры сгорания 3 (форкамеры). Первый трубопровод природного газа связан через запорно-регулирующую задвижку на первом трубопроводе природного газа 12 с горелками 7 форкамеры 3. Второй трубопровод природного газа связан через теплообменник 10, камеру входа подогретого природного газа 20, корпус электрического плазмохимического реактора-активатора 15 и запорно-регулирующую задвижку на трубопроводе синтез-газа 14 с горелками 7 форкамеры 3.Выход форкамеры 3 связан по продуктам сгорания с входом второй ступени камеры сгорания (камерой дожигания) 4,связанной по сжатому воздуху с компрессором 1. Выход камеры дожигания 4 связан по разбавляющему сжатому воздуху через поворотные пластины 13 с компрессором 1. Большая часть воздуха, сжатого в компрессоре 1, подается на вход камеры дожигания 4. Смесь продуктов сгорания, вышедших из камеры дожигания 4 и меньшая часть разбавляющего сжатого воздуха из компрессора 1 связаны через поворотные пластины 13 с газовой турбиной 5. Первый трубопровод природного газа соединен через запорно-регулирующую задвижку 12 с горелками 7 форкамеры 3. Второй трубопровод природного газа, через теплообменник 10,электрический плазмохимический реактор-активатор 15 и запорно-регулирующую задвижку на трубопроводе синтез-газа 14, соединен по синтез-газу с горелками 7 форкамеры 3. Устройство управления 11 связано импульсными линиями с поворотными лопатками 6, поворотными пластинами 13, запорно-регулирующими задвижками 12 и 14 (Фиг.1). Внутри корпуса электрического плазмохимического реактора-активатора 15,снабженного магнитом 17, размещен продольный центральный электрод 19, соединенный изолированным соединительным электродом 19 с электрическим блоком 9 высокого напряжения ( 20 – 40 кВ). В зазоре между корпусом реактора-активатора 15 и продольным центральным электродом 18 находится зона коронного электрического разряда 16 (Фиг.2).The output of compressor 1 is connected to the input of combustion chamber 2 and, through rotary blades 6, to the input of the first stage of combustion chamber 3 (prechamber). The first natural gas pipeline is connected through a shut-off and control valve on the first natural gas pipeline 12 with burners 7 of the pre-chamber 3. The second natural gas pipeline is connected through a heat exchanger 10, a heated natural gas inlet chamber 20, a body of the electric plasma-chemical reactor-activator 15 and a shut-off and control valve on the synthesis gas pipeline 14 with burners 7 of the pre-chamber 3. The output of the pre-chamber 3 is connected via combustion products to the input of the second stage of the combustion chamber (afterburning chamber) 4, connected via compressed air to compressor 1. The output of the afterburning chamber 4 is connected via diluting compressed air through rotary plates 13 with compressor 1. Most of the air compressed in compressor 1 is supplied to the inlet of the afterburning chamber 4. The mixture of combustion products exiting the afterburning chamber 4 and a smaller part of the diluting compressed air from compressor 1 are connected through rotary plates 13 with the gas turbine 5. The first natural gas pipeline is connected through a shut-off and control valve 12 to the burners 7 of the prechamber 3. The second natural gas pipeline, through a heat exchanger 10, an electric plasma-chemical reactor-activator 15 and a shut-off and control valve on the synthesis gas pipeline 14, is connected via synthesis gas to burners 7 of the prechamber 3. The control device 11 is connected by impulse lines with rotary blades 6, rotary plates 13, shut-off and control valves 12 and 14 (Figure 1). Inside the housing of the electric plasma-chemical reactor-activator 15, equipped with a magnet 17, there is a longitudinal central electrode 19 connected by an insulated connecting electrode 19 to a high-voltage electrical unit 9 (20 - 40 kV). In the gap between the reactor-activator body 15 and the longitudinal central electrode 18 there is a zone of corona electric discharge 16 (Figure 2).
Предлагаемый способ получения водородсодержащего топливного газа с электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсией метана и устройство для его реализации осуществляют в несколько этапов следующим образом. Сжатый воздух из компрессора 1 подают в камеру сгорания 2 и разделяют на два потока. Первый поток сжатого воздуха подают через поворотные лопатки 6 в первую ступень камеры сгорания 3 (форкамеру). В ее горелки 7 подают запорно-регулирующую задвижку 12 природный газ. В форкамеру также подают через запорно-регулирующую задвижку 14синтез-газ, полученный в электрическом плазмохимическом реакторе-активаторе 15, с помощью электрического блока высокого напряжения 9. В продукты неполного сгорания топлива вышедшие из форкамеры 3 подают часть потока воздуха, сжатого в компрессоре 3. Полученную смесь продуктов сгорания и воздуха подают и дожигают во второй ступени камеры сгорания (камере дожигания) 4. В продукты сгорания вышедшие из камеры дожигания 4, подают разбавляющий сжатый воздух, регулируя его расход поворотными пластинами 13 и устанавливают требуемую температуру перед газовой турбиной 5. (Фиг.1). В электрическом плазмохимическом реакторе-активаторе 15 размещен продольный центральный электрод 18, на который по изолированному соединительному электроду подается электрический ток высокого напряжения с блока 9. Под действием магнита 17 и высокого напряжения, в электрическом плазмохимическом реакторе-активаторе 15 возникает коронный электрический разряд, обеспечивающий разложение метана, содержащегося в природном газе на водород и окись углерода (синтез-газ). Природный газ, предварительно подогретый в теплообменнике 10 теплом уходящих газов газовой турбины 5 подается в корпус реактора-активатора 15 через камеру входа подогретого газа 20. (Фиг.2).The proposed method for producing hydrogen-containing fuel gas with electric plasma-chemical and high-temperature conversion of methane and a device for its implementation are carried out in several stages as follows. Compressed air from compressor 1 is supplied to combustion chamber 2 and is divided into two streams. The first stream of compressed air is supplied through the rotary blades 6 into the first stage of the combustion chamber 3 (pre-chamber). Its burners 7 are supplied with shut-off and control valve 12 with natural gas. Synthesis gas obtained in an electric plasma-chemical reactor-activator 15 is also supplied to the prechamber through a shut-off and control valve 14 using a high voltage electrical unit 9. Part of the air flow compressed in the compressor 3 is supplied to the products of incomplete combustion of fuel leaving prechamber 3. a mixture of combustion products and air is supplied and afterburned in the second stage of the combustion chamber (afterburning chamber) 4. Diluting compressed air is supplied to the combustion products leaving the afterburning chamber 4, regulating its flow rate by rotary plates 13 and setting the required temperature in front of the gas turbine 5. (Fig. .1). In the electric plasma-chemical reactor-activator 15 there is a longitudinal central electrode 18, to which a high-voltage electric current is supplied via an insulated connecting electrode from block 9. Under the influence of a magnet 17 and high voltage, a corona electric discharge occurs in the electric plasma-chemical reactor-activator 15, ensuring decomposition methane contained in natural gas into hydrogen and carbon monoxide (synthesis gas). Natural gas, preheated in the heat exchanger 10 by the heat of the exhaust gases of the gas turbine 5, is supplied to the reactor-activator housing 15 through the heated gas inlet chamber 20. (Fig. 2).
На первом этапе способа природный газ с давлением 2,5 - 3 МПа подогревают в теплообменнике 10 теплом уходящих газов газовой турбины 5 до 400 – 450°С, подают в плазмохимический реактор-активатор 15, конвертируют в коронном электрическом разряде высокого напряжения (20 – 40 кВ) и получают синтез-газ, состоящий из водорода и окиси углерода. На втором этапе в первую ступень камеры сгорания (форкамеру) 3 газотурбинной установки 5 подают воздух сжатый в компрессоре 1 с давлением 2,5 - 3 МПа. Природный газ, подают в горелки 7 синтез-газ, расходы которых регулируют с помощью устройства управления 11. Полученную «богатую» метано-водородно-воздушную смесь поджигают в форкамере 3 при коэффициенте избытка воздуха 0,6 – 0,7, температуру продуктов сгорания смеси, вышедших из форкамеры 3, повышают до 1350 - 1400°С и увеличивают в них долю водорода до 5 -7%, за счет высокотемпературной конверсии метана. На третьем этапе способа, во вторую ступень камеры сгорания (камеру дожигания) 4 подают продукты сгорания из форкамеры 3 и сжатый воздух из компрессора 1. Полученную «бедную» метано-водородно-воздушную смесь сжигают в камере дожигания 4 при коэффициенте избытка воздуха 1,3 -1,5, при этом температуру факела повышают до 1950 - 2000°С с увеличением доли водорода в продуктах сгорания до 20 %, за счет высокотемпературной конверсии метана. Затем в продукты сгорания подают разбавляющий сжатый воздух, его расход регулируют поворотными пластинами 13 по сигналам устройства управления 11 и устанавливают требуемую температуру газа перед газовой турбиной 5.At the first stage of the method, natural gas with a pressure of 2.5 - 3 MPa is heated in a heat exchanger 10 with the heat of the exhaust gases of a gas turbine 5 to 400 - 450 ° C, fed into a plasma-chemical reactor-activator 15, converted in a high-voltage corona electric discharge (20 - 40 kV) and obtain synthesis gas consisting of hydrogen and carbon monoxide. At the second stage, air compressed in the compressor 1 with a pressure of 2.5 - 3 MPa is supplied to the first stage of the combustion chamber (prechamber) 3 of the gas turbine unit 5. Natural gas is supplied to synthesis gas burners 7, the flow rates of which are regulated using control device 11. The resulting “rich” methane-hydrogen-air mixture is ignited in prechamber 3 at an excess air ratio of 0.6 - 0.7, the temperature of the combustion products of the mixture , leaving prechamber 3, is increased to 1350 - 1400°C and the proportion of hydrogen in them is increased to 5 -7%, due to high-temperature conversion of methane. At the third stage of the method, combustion products from the pre-chamber 3 and compressed air from the compressor 1 are supplied to the second stage of the combustion chamber (afterburning chamber) 4. The resulting “lean” methane-hydrogen-air mixture is burned in the afterburning chamber 4 at an excess air ratio of 1.3 -1.5, while the flame temperature is increased to 1950 - 2000°C with an increase in the proportion of hydrogen in the combustion products to 20%, due to high-temperature methane conversion. Then diluting compressed air is supplied to the combustion products, its flow is adjusted by rotating plates 13 according to signals from the control device 11 and the required gas temperature in front of the gas turbine 5 is set.
Предлагаемый способ позволяет:The proposed method allows:
- увеличить содержание водорода в топливном газе газотурбинной установки, - increase the hydrogen content in the fuel gas of a gas turbine unit,
- повысить ее экономичность за счет сжигания в камере сгорания природного газа и значительной доли водорода, получаемого при электрической плазмохимической и высокотемпературной конверсии метана,- increase its efficiency due to the combustion in the combustion chamber of natural gas and a significant proportion of hydrogen obtained through electrical plasma-chemical and high-temperature conversion of methane,
- повысить ее экологичность, за счет уменьшения содержания в выхлопных газах вредных веществ и увеличения в них доли водяного пара образующегося при сгорании водорода в кислороде. - increase its environmental friendliness by reducing the content of harmful substances in the exhaust gases and increasing the proportion of water vapor in them produced during the combustion of hydrogen in oxygen.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2810591C1 true RU2810591C1 (en) | 2023-12-27 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2768424B1 (en) * | 1997-09-01 | 1999-10-29 | Albin Czernichowski | ELECTRIC ASSISTANCE FOR PARTIAL OXIDATION OF LIGHT OXYGEN HYDROCARBONS |
| RU2467187C2 (en) * | 2010-11-03 | 2012-11-20 | ООО "Центр КОРТЭС" | Method of operating gas turbine unit |
| RU2478688C2 (en) * | 2011-12-20 | 2013-04-10 | Закрытое акционерное общество Научно-проектное производственно-строительное объединение "Грантстрой" (ЗАО НППСО "Грантстрой") | Multistage method for obtaining hydrogen-bearing gaseous fuel, and heat gas generator plant for its implementation (arakelyan method) |
| RU2639397C1 (en) * | 2016-12-29 | 2017-12-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Mode of gas turbine plant operation on methane-contained steam-gas mixture and its actualization device |
| RU2740755C1 (en) * | 2019-11-05 | 2021-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Method of producing hydrogen-containing gas from natural gas and superheated steam and device for implementation thereof |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2768424B1 (en) * | 1997-09-01 | 1999-10-29 | Albin Czernichowski | ELECTRIC ASSISTANCE FOR PARTIAL OXIDATION OF LIGHT OXYGEN HYDROCARBONS |
| RU2467187C2 (en) * | 2010-11-03 | 2012-11-20 | ООО "Центр КОРТЭС" | Method of operating gas turbine unit |
| RU2478688C2 (en) * | 2011-12-20 | 2013-04-10 | Закрытое акционерное общество Научно-проектное производственно-строительное объединение "Грантстрой" (ЗАО НППСО "Грантстрой") | Multistage method for obtaining hydrogen-bearing gaseous fuel, and heat gas generator plant for its implementation (arakelyan method) |
| RU2639397C1 (en) * | 2016-12-29 | 2017-12-21 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Mode of gas turbine plant operation on methane-contained steam-gas mixture and its actualization device |
| RU2740755C1 (en) * | 2019-11-05 | 2021-01-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Газпром трансгаз Самара" | Method of producing hydrogen-containing gas from natural gas and superheated steam and device for implementation thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2708957C1 (en) | Gas-turbine unit of gas transfer unit | |
| CN113048469A (en) | Ammonia boiler for real-time cracking of ammonia fuel by using plasma based on energy storage of molten salt | |
| RU2535308C2 (en) | Method of operation for gas piston engine with spark ignition | |
| Schastlivtsev et al. | Experimental study of the processes in hydrogen-oxygen gas generator | |
| WO2013095190A1 (en) | Multistage method for producing a hydrogen-containing gaseous fuel and thermal gas generator plant | |
| RU2810591C1 (en) | Method for producing hydrogen-containing fuel gas with electrical plasma-chemical and high-temperature methane conversion and device for its implementation | |
| JP2008240731A (en) | Operating method for turbogroup | |
| RU2740755C1 (en) | Method of producing hydrogen-containing gas from natural gas and superheated steam and device for implementation thereof | |
| RU2587736C1 (en) | Plant for utilisation of low-pressure natural and associated oil gases and method for use thereof | |
| Matveev et al. | Plasma-assisted ammonia combustion—Part 1: Possibilities of plasma combustion of ammonia in air and oxygen | |
| Dybe et al. | Design and experimental characterization of a swirl-stabilized combustor for low calorific value gaseous fuels | |
| BG62008B1 (en) | Method for hydrocarbons combustion | |
| RU2814334C1 (en) | Method of producing fuel gas for gas pumping units of compressor station and liquefied hydrogen | |
| Biryuk et al. | Prospects for the use of methane conversion for increasing energy and environmental efficiency of energy installations | |
| RU177152U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCING SYNTHESIS GAS | |
| RU2711260C1 (en) | Steam-gas plant | |
| WO2014100887A1 (en) | Method for producing fuel and heat energy therefrom | |
| Bastani et al. | Experimental study of Ammonia-Methane mixture combustion in the micro gas turbine combustor | |
| RU192458U1 (en) | Synthesis gas generator | |
| RU2774007C1 (en) | Method of contact gas turbine plant operation on methane-hydrogen steam-gas mixture | |
| Boushaki et al. | Characteristics of Biogas and Syngas Combustion | |
| RU2813644C1 (en) | Method for preparing methane-hydrogen fuel with increased hydrogen content for boiler units of thermal power plants and gas turbine expander power plants | |
| RU2728270C1 (en) | Boiler water combustion device | |
| Serbin et al. | The Efficiency of Gas Turbine Units With a Plasma-Chemical Stabilizer Operating on Ammonia | |
| Messerle et al. | Plasma ignition of dust-coal flame |