способ получения тепла в системах дальнего теплоснабжения и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения тепла в системах дальнего теплоснабжения, включающий паровую или углекислотную конверсию метана в присутствии катализатора, метанирование конвертированного газа в присутствии водорода и охлаждение полученного газа с получением тепла и последующим возвратом метана на стадию конверсии, отличающийся тем, что метанирование осуществляют при избытке водорода, взятого в объемном соотношении к оксидам углерода в конвертированном газе (8 10):1, охлаждение полученного газа осуществляют до температуры адсорбции, затем газовую смесь подают на короткоцикловую адсорбцию, где ее разделяют на метан и водород, возвращаемый на стадию метанирования.

2. Устройство для получения тепла в системах дальнего теплоснабжения, содержащее метанатор, теплообменник, сепаратор, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено установкой короткоцикловой адсорбции газов и газодувкой, посредством которой установка соединена с одноступенчатым метанатором.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области энергетики, в частности к дальнейшему транспорту тепла и аккумулированию энергии.

Известны способ и система дальнего транспорта тепла (СДТ) на базе паровой конверсии метана (Перспективы создания хемотермических систем теплоснабжения на базе высокотемпературных ядерных реакторов. Л.А.Мелентьев, Н.Н. Пономарев-Степной, Ю. И. Корякин и др. В кн. Атомно-водородная энергетика и технология, вып. 5-М. Энергоатомиздат, 1982, с. 44-70), включающая установки конверсии и синтеза метана, теплоисточник и теплопотребитель, теплообменные аппараты. У теплопотребителя вследствие высокого теплового эффекта химической реакции и большого содержания оксидов азота (более 20%) процесс синтеза метана ведут ступенчато, с отводом тепла после каждой ступени. Поступающий на метанирование конвертированный газ нагревают за счет охлаждения метана из последней ступени метанирования и смешивают с водяным паром. Охлажденный метан возвращают к теплоисточнику.

Недостатком указанной схемы является громоздкое аппаратурное оформление, искусственное торможение реакции за счет введения в исходные компоненты водяного пара.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является многоступенчатая схема метанирования с циркуляцией части газа (Справочник азотчика, т. 1, изд-во Химия, 1967), когда у теплопотребителя конвертированный газ подогревают, смешивают с метаном и направляют на метанирование. Полученный метан после охлаждения за счет нагрева конвертированного газа возвращают на конверсию.

Недостатком указанного способа и схемы является сложное аппаратурное оформление, многоступенчатость схемы, использование различных катализаторов по ступени процесса, ввод в исходные компоненты продуктов метанирования.

Целью изобретения является снижение капиталовложений в СДТ и упрощение процесса метанирования.

Цель достигается тем, что в способе получения тепла в системах дальнего теплоснабжения метанирование осуществляют при избытке водорода, взятого в объемном соотношении с оксидами углерода в конвертированном газе, равном 8: 10 соответственно, охлаждение полученного газа осуществляют до температуры адсорбции, затем газовую смесь подают на короткоцикловую адсорбцию с выделением водорода и возвращают его на стадию метанирования. Для реализации предлагаемого способа в системах дальнего теплоснабжения у теплопотребителя теплообменник, сепаратор, установку короткоцикловой адсорбции газов подключают через газодувку к одноступенчатому метанатору.

На фиг.1 представлена схема реализации предлагаемого способа. Она включает метанатор 1 и подключенную к нему через газодувку 2 установку 3 короткоцикловой адсорбции газа. На фиг.2 показана схема установки синтеза метана в системе дальнего теплоснабжения, состоящей из пускового подогревателя 1, установленного перед метанатором 2, подогревателя сетевой воды 3, к которому подключены последовательно сепаратор 4 и установка короткоцикловой адсорбции газов 5. Кроме того, в системе установлена газодувка 6.

Способ реализуется следующим образом (фиг.1).

Поступающий от теплоисточника конвертированный газ смешивают в соотношении 1:n с водородом и направляют в метанатор 1 на синтез метана (гидрирование углеводорода). Процесс идет с выделением тепла, которое используют для получения электроэнергии и на теплоснабжение. Из продуктов синтеза конденсируют воду, а смесь метана и водорода направляют в установку 2 короткоцикловой адсорбции газов, из которой водород возвращается в метанатор 1, а метан к теплоисточнику или в систему газоснабжения.

Принцип работы устройства (фиг.2) следующий.

Конвертированный газ, поступающий от теплоисточника с установки конверсии, смешивают с водородом в соотношении 1:n (величина n зависит от требуемой температуры синтеза метана) и направляют в метанатор 2, где осуществляют синтез метана с получением теплоты. Тепло утилизируют в подогревателе сетевой воды 3. Охлажденные продукты синтеза сепарируют от влаги в сепараторе 4 и осушенный газ направляют в установку 5 короткоцикловой безнагревной адсорбции газов. Из установки 5 водород газодувкой 6 подают на смешение с конвертированным газом, а метановую фракцию возвращают к теплоисточнику или используют у потребителя для целей газоснабжения. Соотношение конвертированный газ:водород регулируют производительностью газодувки 6. Использование изобретения уменьшает капиталовложения в систему метанирования, позволяет использовать один тип катализатора для синтеза метана.

Примеры осуществления предлагаемого способа.

а) Необходимо получить газ-теплоноситель с Т=400^oC. Берем 35,13 нм³/ч конвертированного газа (состав: Н₂= 81,3% СО=7,9% СО₂=9,5% СН₄=1,3%), смешиваем с 64,7 нм³/ч водорода и полученные 100 нм³/ч смеси, содержащей 2,77% СО и 3,38% СО₂ направляются в предварительно разогретый метанатор. В результате автотермической реакции на катализаторе газ нагревается до температуры "зажигания" катализатора и реагирует. Температура выходящего газа 400^oС, количество 78,17 нм³/ч, состав: СН₄ 8,5% Н₂ 91,5% Процесс протекает при давлении 2 МПа и температуре 459^oС. После охлаждения в теплоиспользующей аппаратуре газ разделяют в установке короткоцикловой адсорбции на 64,87 нм³/ч водорода и 13,3 нм³/ч метановой фракции состава: 50% СН₄ и 50% Н₂. Водород подают на смешение с конвертированным газом перед метанатором, метановую фракцию направляют на конверсию.

б) Необходимо получить газ с температурой 600^oС. Конвертированный газ 52,81 нм³/ч, содержащий 81,3% Н₂, 7,9% СО, 9,5% СО₂, 1,3% СH₄ смешивается с 47,19 нм³/ч водорода из блока КЦА, 100 нм³/ч смеси поступает в метанатор. СО и СО₂ на никелевом катализаторе при 650^oC и давлении 2 МПа нацело реагируют с водородом. Продукты реакции охлаждают с получением пара и нагревом сетевой воды и в количестве 67,19 нм³/ч (57,19 Н₂ и 10 СН₄) направляют в блок КЦА. После КЦА 47,19 нм³/ч водорода газодувкой вводят в исходный конвертированный газ, а метановую фракцию возвращают на конверсию.

в) Рассмотрим схемы метанирования в установке-прототипе и в предлагаемой.

В установке-прототипе процесс метанирования многоступенчатый три ступени метанирования и три теплообменника (котла-утилизатора). В предлагаемой установке метанатор один и, соответственно, один теплообменник (котел-утилизатор), но установка дополнена блоком короткоцикловой адсорбции водорода (КТА).

С уменьшением количества аппаратуры уменьшается и длина трубопроводов обвязки, что составляет около 15% от общей стоимости системы. Кроме того, уменьшается потребность в катализаторе.

Стоимость всех аппаратов и катализатора принималась по данным ГИАП.

В приведенном примере расчет велся на 100 нм³/ч смеси. В настоящем расчете для удобства определения капиталовложений в аппараты по имеющимся в ГИАПЕ данным принимаем, что расход смеси составляет 100 нм³/ч2500=250 тыс. нм³/ч. Результаты приведены в таблице.

Таким образом, с учетом стоимости обвязки трубопроводов общая стоимость установки-прототипа составит 3919,775 тыс.руб. а предлагаемой 3606,975 тыс. руб, то есть экономия составит 312,8 тыс.руб.