устройство для получения углерода с использованием биомассы

Формула изобретения

1. Устройство для получения углерода путем обработки биомассы, отличающееся тем, что включает блок анаэробной ферментации (2) для образования метана и диокида углерода путем анаэробной ферментации биомассы; блок сепарации метана-диоксида углерода (4) для отделения метана и диоксида углерода из смешанного газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного в указанном блоке анаэробной ферментации (2); средства образования водорода (6, 16) для образования водорода из указанного метана, выделенного в указанном блоке сепарации метана-диоксида углерода (4); и блок связывания диоксида углерода (10) для образования углерода путем восстановления указанного диоксида углерода, выделенного в указанном блоке сепарации метана-диоксида углерода (4), при помощи указанного водорода, образованного в указанных средствах образования водорода (6, 16) в присутствии катализатора.

2. Устройство для получения углерода по п.1, отличающееся тем, что указанные средства образования водорода представляют блок реформинга метана (6) для разложения метана на углерод и водород в присутствии катализатора.

3. Устройство для получения углерода по п.1, отличающееся тем, что указанные средства образования водорода представляют блок реформинга метана с использованием пара (16) для образования диоксида углерода и водорода путем взаимодействия метана с паром в присутствии катализатора.

4. Устройство для получения углерода по п.1, отличающееся тем, что дополнительно включает блок сжигания метана (8) для сжигания части указанного метана, выделенного в указанном блоке сепарации метана-диоксида углерода (4), и трансмиссионный блок передачи реакционного тепла (21) для подачи тепла, образованного в указанном блоке сжигания метана (8) в указанный блок анаэробной ферментации (2) и указанные средства образования водорода (6, 16).

5. Устройство для получения углерода по п.4, отличающееся тем, что дополнительно включает использующий реакционное тепло блок генерирования электроэнергии (30) для превращения части указанного тепла, образованного в указанном блоке сжигания метана, в электрическую энергию.

6. Устройство для получения углерода по п.4, отличающееся тем, что содержит путь для подачи газа, содержащего диоксид углерода, образованного в указанном блоке сжигания метана (8), в указанный блок связывания диоксида углерода (20), для восстановления указанного диоксида углерода, содержащегося в указанном газе, до углерода.

7. Устройство для получения углерода по п.4, отличающееся тем, что дополнительно содержит внутрисистемный блок подачи диоксида углерода (26), состоящий из конденсатора пара (22) и парожидкостного сепаратора (24), снабжаемого смешанным газом, содержащим пар и диоксид углерода, образованный в указанном блоке сжигания метана (8), и путь для подачи указанного диоксида углерода, отделенного в указанном парожидкостном сепараторе, в указанный блок связывания диоксида углерода (20), для восстановления указанного диоксида углерода до углерода.

8. Устройство для получения углерода по п.1, отличающееся тем, что дополнительно включает блок сжигания водорода (14) для сжигания части указанного водорода, образованного в указанных средствах образования водорода (6, 16), и трансмиссионный блок передачи реакционного тепла (21) для подачи тепла, образованного в указанном блоке сжигания водорода (14), в указанный блок анаэробной ферментации (2) и указанные средства образования водорода (6, 16).

9. Устройство для получения углерода по п.8, отличающееся тем, что дополнительно включает использующий реакционное тепло блок генерирования электроэнергии (30) для превращения части тепла, образованного в указанном блоке сжигания водорода (14), в электрическую энергию.

10. Устройство для получения углерода путем обработки биомассы, отличающееся тем, что включает блок анаэробной ферментации (2) для получения метана и диоксида углерода путем анаэробной ферментации биомассы; и блок связывания диоксида углерода (20), снабжаемый смешанным газом, содержащим метан и диоксид углерода, образованным в указанном блоке анаэробной ферментации (2), для образования углерода путем его реакции в присутствии катализатора.

11. Устройство для получения углерода по п.10, отличающееся тем, что указанный блок связывания диоксида углерода (20) также снабжают диоксидом углерода из внешнего по отношению к системе источника.

12. Устройство для получения углерода по п.10, отличающееся тем, что дополнительно включает блок сжигания метана (18), снабжаемый частью указанного смешанного газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного в указанном блоке анаэробной ферментации (2), для сжигания указанного метана, содержащегося в указанном смешанном газе, и трансмиссионный блок передачи реакционного тепла (21) для подачи тепла, образованного в указанном блоке сжигания метана (18) в указанный блок анаэробной ферментации (2).

13. Устройство для получения углерода по п.12, отличающееся тем, что дополнительно включает использующий реакционное тепло блок генерирования электроэнергии (30) для превращения части тепла, образованного в указанном блоке сжигания метана (18), в электрическую энергию.

14. Устройство для получения углерода по п.12, отличающееся тем, что содержит путь для подачи газа, содержащего диоксид углерода, образованный в указанном блоке сжигания метана (18), в указанный блок связывания диоксида углерода (20), для восстановления указанного диоксида углерода, содержащегося в указанном газе, до углерода.

15. Устройство для получения углерода по п.12, отличающееся тем, что дополнительно содержит внутрисистемный блок подачи диоксида углерода (26), образованный конденсатором пара (22) и парожидкостным сепаратором (24), снабжаемый смешанным газом, содержащим пар и диоксид углерода, образованным в указанном блоке сжигания метана (18), и путь для подачи диоксида углерода, отделенного в указанном парожидкостном сепараторе, в указанный блок связывания диоксида углерода (20), для восстановления указанного диоксида углерода до углерода.

16. Устройство для получения углерода по п.12, отличающееся тем, что соотношение газа, образуемого в указанном блоке анаэробной ферментации (2), подаваемого в указанный блок связывания диоксида углерода (20), и газа, подаваемого в указанный блок сжигания метана (18), доводят до такого значения, когда сумма молярных количеств указанного диоксида углерода, подаваемого из указанного блока сжигания метана (18) в указанный блок связывания диоксида углерода (20), и диоксида углерода, подаваемого из указанного блока анаэробной ферментации (2) в указанный блок связывания диоксида углерода (20), равна молярному количеству указанного метана, подаваемого в указанный блок связывания диоксида углерода (20).

17. Устройство для получения углерода по п.14, отличающееся тем, что соотношение газа, образуемого в указанном блоке анаэробной ферментации (2), подаваемого в указанный блок связывания диоксида углерода (20), и газа, подаваемого в указанный блок сжигания метана (18), доводят до такого значения, когда сумма молярных количеств указанного диоксида углерода, подаваемого из указанного блока сжигания метана (18) в указанный блок связывания диоксида углерода (20), и подаваемого из указанного блока анаэробной ферментации (2) в указанный блок связывания диоксида углерода (20), равняется молярному количеству указанного метана, подаваемого в указанный блок связывания диоксида углерода (20).

18. Устройство для получения углерода по п.10, отличающееся тем, что дополнительно включает блок сжигания водорода (14) для сжигания части указанного водорода, образованного в указанном блоке связывания диоксида углерода (20), и трансмиссионный блок передачи реакционного тепла для передачи тепла, образованного в указанном блоке сжигания водорода (14), в указанный блок анаэробной ферментации.

19. Устройство для получения углерода по п.18, отличающееся тем, что дополнительно включает использующий реакционное тепло блок генерирования электроэнергии (30) для превращения части указанного тепла, образованного в указанном блоке сжигания водорода (14), в электрическую энергию.

Описание изобретения к патенту

Предпосылки изобретения

Область изобретения

Изобретение относится к области контроля окружающей среды, связанного с обработкой сточных вод, обессериванием дымовых газов, переработкой мусора и ликвидацией бытовых отходов, а также с областью производства сажи (технического углерода), производства метанола, производства диметилового эфира и производства бензина.

Описание предшествующего уровня техники.

По данным межправительственной научно-исследовательской группы по исследованию климатических изменений (IPCC), выброс в атмосферу искусственно образуемого диоксида углерода (СO₂) составляет до около 71000 млн. тонн в год в расчете на углерод. Полагают, что около половины этого количества остается в атмосфере, а другая половина поглощается морем и т.п. Диоксид углерода, известный как газ парникового эффекта, считают причиной глобального потепления.

В целях снижения концентрации диоксида углерода в атмосфере абсолютно необходимо значительное снижение его выбросов в атмосферу. Изучаются различные способы снижения выбросов диоксида углерода.

Способ восстановления диоксида углерода в атмосфере водорода (H₂) и превращения его в порошкообразные частицы углерода был разработан с целью связывания диоксида углерода, содержащегося в атмосфере или выбрасываемого в больших количествах электростанциями, сталелитейными заводами или предприятиями тяжелой и химической промышленности, в месте его выброса и его переработку. Поэтому система конверсии включает сепаратор диоксида углерода для отделения диоксида углерода из атмосферного воздуха или отработанного газа, сгуститель для диоксида углерода для концентрирования отделенного диоксида углерода, реактор для СО₂/Н₂ для образования порошкообразных частиц углерода путем взаимодействия диоксида углерода с водородом в присутствии катализатора и т.п.

Несмотря на то, что как способ получения водорода, необходимого для превращения диоксида углерода в частицы углерода и связывания последнего в таком состоянии, уже были предложены электролиз воды, генерирование электроэнергии солнечными батареями, утилизация абсорбирующих водород сплавов или т. п. , устройство для связывания диоксида углерода на практике не использовалось из-за чрезвычайно высокой стоимости водорода.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является обеспечение устройства для связывания диоксида углерода при низких затратах.

Устройство в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения включает блок анаэробной ферментации для ферментирования биомассы в анаэробных условиях и образования метана и диоксида углерода, блок сепарации метана-диоксида углерода для отделения метана и диоксида углерода, образованных в блоке анаэробной ферментации, средства образования водорода для образования водорода из метана, выделенного в блоке сепарации метана-диоксида углерода, и блок химического связывания диоксида углерода для образования углерода путем восстановления диоксида углерода, выделенного в блоке сепарации метана-диоксида углерода, с водородом, образованным средствами образования водорода, в присутствии катализатора.

Примером средств для образования водорода является блок реформинга для разложения метана на углерод и водород в присутствии катализатора, и другим примером является блок реформинга метана при помощи пара для образования диоксида углерода и водорода путем взаимодействия метана с паром в присутствии катализатора.

Устройство в соответствии с другим аспектом изобретения включает блок анаэробной ферментации и блок связывания диоксида углерода, который принимает смешанный газ, содержащий метан и диоксид углерода, образованный в блоке анаэробной ферментации, и в котором происходит взаимодействие этих газов в присутствии катализатора с образованием углерода.

В блоке связывания диоксида углерода осуществляют восстановление диоксида углерода с использованием водорода в присутствии катализатора с целью образования кристаллического распыленного углерода. Используемый водород образован из метана, полученного путем анаэробной ферментации биомассы.

Устройство в соответствии с изобретением включает блок анаэробной ферментации для образования метана и диоксида углерода путем анаэробной ферментации биомассы и разлагает метан, образованный в отделении анаэробной ферментации, на углерод и водород при помощи катализатора или образует диоксид углерода и водород путем взаимодействия метана, образованного в блоке анаэробной ферментации, с паром в присутствии катализатора, с получением таким путем водорода, забирая при этом по меньшей мере 90% энергии, необходимой для связывания диоксида углерода, и посредством этого водород получают при низких затратах, что приводит к снижению общей стоимости способа связывания диоксида углерода.

В блоке анаэробной ферментации необходимо осуществлять нагревание до заранее определенной температуры. Энергия необходима для остальной части, где происходит эндотермическая реакция. Если по меньшей мере часть необходимой энергии можно обеспечить внутри системы, стоимость можно снизить. Поэтому предпочтительным является утилизация теплоты сгорания, образованной при сжигании метана, путем обеспечения блока сжигания метана для сжигания части метана, образованного в блоке анаэробной ферментации, или теплоты, образованной сгоранием водорода, путем обеспечения блока сжигания водорода для сжигания части водорода, образуемого в системе. В случае, когда какой-либо другой блок, помимо блока сжигания метана или блока сжигания водорода, образует тепло, это тепло также можно утилизировать. Таким образом, при возможности генерирования необходимого тепла внутри системы получают дополнительно снижение стоимости работы системы.

В случае, когда часть тепла, образованного сжиганием метана или водорода, остается после использования для нагревания остальной части системы, оставшееся тепло можно использовать для блока выработки электроэнергии для приведения в действие устройства по изобретению путем обеспечения блока генерации электроэнергии, использующего реакционное тепло, для превращения тепла в электроэнергию, получая тем самым дополнительную экономию средств.

При обеспечении блока сжигания метана предпочтительным является направлять образованный сжиганием метана диоксид углерода в блок связывания диоксида углерода с тем, чтобы зафиксировать его там в виде углерода. Смешанный газ, содержащий пар и диоксид углерода, образованный в блоке сжигания метана, можно непосредственно направлять в блок связывания диоксида углерода, или диоксид углерода, выделенный в сепараторе взаимодействием пара-жидкости, можно подавать в блок связывания диоксида углерода посредством внутрисистемного средства подачи диоксида углерода, образованного из конденсатора пара и парожидкостного сепаратора.

При обеспечении блока сжигания метана является предпочтительным получение такого соотношения газа, образованного в блоке анаэробной ферментации, подаваемого в блок связывания диоксида углерода и подаваемого в блок сжигания метана, чтобы сумма молярных количеств диоксида углерода, подаваемого из блока сжигания метана в блок связывания диоксида углерода, и диоксида углерода, подаваемого из блока анаэробной ферментации в блок связывания диоксида углерода, была равна молярному количеству метана, подаваемого в блок связывания диоксида углерода. Таким образом можно связать все количество диоксида углерода, образуемое в системе устройства по изобретению.

В блок связывания диоксида углерода можно подавать диоксид углерода, образованный вне системы.

Указанные выше и другие цели, аспекты и преимущества изобретения будут более понятны из следующего далее подробного описания изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет блок-схему, иллюстрирующую первый вариант воплощения изобретения.

Фиг. 2 представляет блок-схему, иллюстрирующую второй вариант воплощения изобретения.

Фиг. 3 представляет блок-схему, иллюстрирующую третий вариант воплощения изобретения.

Фиг. 4 представляет блок-схему, иллюстрирующую четвертый вариант воплощения изобретения.

Фиг. 5 представляет блок-схему, иллюстрирующую пятый вариант воплощения изобретения.

Фиг. 6 представляет блок-схему, иллюстрирующую шестой вариант воплощения изобретения.

Фиг.7 представляет блок-схему, иллюстрирующую седьмой вариант воплощения изобретения.

Фиг.8 представляет блок-схему, иллюстрирующую восьмой вариант воплощения изобретения.

Фиг.9 представляет блок-схему, иллюстрирующую девятый вариант воплощения изобретения.

Фиг. 10 представляет блок-схему, иллюстрирующую десятый вариант воплощения изобретения.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 1 представляет блок-схему, иллюстрирующую первый вариант воплощения изобретения.

Предусматривают блок 2 анаэробной ферментации для получения метана и диоксида углерода путем разложения органических отходов, таких как бумажные отходы, пивные отходы, пивные остатки или кухонный мусор при помощи бактерий в анаэробном ферментере. Блок 2 анаэробной ферментации соединен с блоком 4 разделения метана и диоксида углерода, включающим адсорбент, такой как цеолит, для разделения газа, образованного в блоке 2 анаэробной ферментации на метан и диоксид углерода путем использования адсорбирующих и десорбирующих функций адсорбента.

Блок 4 разделения метана и диоксида углерода соединен с блоком 6 реформинга метана и блоком 8 сжигания метана. Блок 6 реформинга метана, который включает катализатор, такой как Ni или Со на таком носителе, как SiO₂ или Аl₂О₃, например, снабжают часть метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, и в нем происходит разложение метана на углерод и водород в условиях нагрева до 400-900^oС, например до 530^oС.

В блоке сжигания метана 8 сжигают часть метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, и получаемое в результате сжигания тепло направляют в блок 2 анаэробной ферментации и блок 6 реформинга метана посредством блока 21 трансмиссии реакционного тепла, представляющего теплообменник или трансмиссионный путь для передачи тепла.

Для восстановления диоксида углерода, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, при помощи водорода и фиксации его в виде углерода блок 10 связывания диоксида углерода соединен с блоком 4 разделения метана-диоксида углерода и блоком 6 реформинга метана. Блок 10 связывания диоксида углерода включает катализатор, такой как Ni или Со на носителе, например, таком как SiO₂ или Аl₂O₃, и в нем осуществляют восстановление диоксида углерода, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, при помощи водорода, образованного в блоке 6 реформинга метана, в условиях нагревания до температуры 400-900^oС с образованием порошкообразных углеродных частиц. Диоксид углерода, образованный в блоке 8 сжигания метана, можно также направлять в блок связывания двуокиси углерода по определенному пути для его конверсии в углерод и фиксирования в виде углеродных частиц.

Конденсатор 12 предусматривают для конденсации пара (H₂O), образованного в блоке 10 связывания диоксида углерода, а также пара, образованного в блоке 8 сжигания метана.

Работу первого варианта способа по изобретению, показанного на фиг.1, осуществляют следующим образом.

Когда биомассу вводят в анаэробный ферментер блока 2 анаэробной ферментации, в котором накапливаются метановые бактерии, в результате процесса анаэробной ферментации биомассы образуется газ, содержащий метан и диоксид углерода. Этот газ направляют в блок 4 разделения метана-диоксида углерода для разделения его на метан и диоксид углерода. В блоке 6 реформинга метана происходит разложение части метана на углерод (С) и водород в присутствии катализатора. Углерод осаждают в виде кристаллических твердых порошкообразных углеродных частиц в блоке 6 реформинга метана. Термохимический процесс, происходящий в блоке 6 реформинга метана, выражен следующим уравнением:

СН₄-->С+2Н₂-90,1 кДж/моль

Что касается реакционного тепла в уравнении термохимической реакции знаки + и - означают соответственно экзотермическую и эндотермическую реакцию. Это также относится к следующим далее уравнениям термохимических реакций.

Часть метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, также подают в блок 8 сжигания метана, где осуществляют его сжигание. Выделяемое при сжигании тепло используют в качестве источника тепла для блока 2 анаэробной ферментации и блока 6 реформинга метана. Реакция, протекающая в блоке 8 сжигания метана, следующая:

СH₄+2O₂-->СO₂+2Н₂О+800 кДж/моль

Диоксид углерода, выделенный в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, и водород, образованный в блоке 6 реформинга метана, направляют в блок 10 связывания диоксида углерода, в котором, в свою очередь, происходит восстановление диоксида углерода при помощи водорода в присутствии катализатора с непрерывным образованием углерода (С) и пара. Углерод осаждают в виде кристаллических твердых порошкообразных углеродных частиц также в блоке 10 связывания диоксида углерода, тогда как пар направляют в блок 12 конденсации, где его конденсируют и выпускают.

Реакция в блоке 10 связывания диоксида углерода следующая:

СO₂+2Н₂-->С+2H₂O+96,0 кДж/моль

Фиг.2 представляет блок-схему, иллюстрирующую второй вариант осуществления изобретения.

Аналогично первому варианту, показанному на фиг.1, блок 2 анаэробной ферментации соединен с блоком 4 разделения метана-диоксида углерода, в котором происходит разделение газа, образованного в блоке 2 анаэробной ферментации, на метан и диоксид углерода. Обеспечивают блок 6 реформинга метана для разложения метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, на углерод и водород, а блок 10 связывания диоксида углерода соединен с блоком 4 разделения метана-диоксида углерода для связывания выделенного в этом блоке диоксида углерода с водородом, образованным в блоке 6 реформинга метана, и фиксации его в виде порошкообразных углеродных частиц.

Предусмотрен также использующий реакционное тепло блок генерирования электроэнергии (30) для превращения части указанного тепла, образованного в указанном блоке сжигания метана, в электрическую энергию.

Второй вариант воплощения изобретения отличается от первого варианта, показанного на фиг.1, тем, что имеет другой блок для получения источника тепла для блока 2 анаэробной ферментации и блока 5 реформинга метана. Тогда как в первом варианте предусматривают блок 8 сжигания метана для сжигания части метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, во втором варианте обеспечивают блок 14 сжигания водорода для сжигания части водорода, образованного в блоке реформинга метана 6, и трансмиссионный блок передачи реакционного тепла (21) для подачи тепла, образованного в указанном блоке сжигания водорода (14), в блок анаэробной ферментации (2) и указанные средства образования водорода.

Работу второго варианта изобретения, показанного на фиг.2, осуществляют следующим образом.

В блоке 4 разделения метана-диоксида углерода осуществляют разделение газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованный путем введения биомассы в блок 2 анаэробной ферментации, на метан и диоксид углерода. В блоке 6 реформинга метана происходит разложение отделенного метана на углерод и водород. В блоке 14 сжигания водорода осуществляют сжигание части водорода, образованного в блоке 6 реформинга метана, с целью образования тепла сгорания. Реакция, протекающая в блоке 14 сжигания, следующая:

Н₂+(1/2)О₂-->H₂O+285 кДж/моль

Оставшуюся часть водорода, образованного в блоке 6 реформинга метана, подают в блок 10 связывания диоксида углерода и используют для восстановления и связывания диоксида углерода, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода.

Фиг.3 представляет блок-схему, иллюстрирующую третий вариант осуществления изобретения.

Аналогично первому варианту, показанному на фиг.1, блок 4 разделения метана-диоксида углерода соединен с блоком 2 анаэробной ферментации для разделения газа, образованного в блоке 2 анаэробной ферментации на метан и диоксид углерода, но в этом варианте обеспечивают блок 8 сжигания метана для сжигания части метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, с целью получения источника тепла для блока 2 анаэробной ферментации и блока 6 реформинга метана.

В этом варианте обеспечивают блок 16 реформинга метана с использованием пара для образования водорода из метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, с целью получения водорода для восстановления и связывания диоксида углерода. Отделение 16 реформинга метана с использованием пара включает, например, никелевый катализатор и в нем происходит образование диоксида углерода и водорода путем взаимодействия метана с паром в присутствии катализатора в условиях нагрева до температуры 400-900^oС. Блок 10 связывания диоксида углерода соединен с блоком 4 разделения метана-диоксида углерода и с блоком 16 реформинга метана с использованием пара.

Работу третьего варианта изобретения осуществляют следующим образом.

В блоке 4 разделения метана-диоксида углерода осуществляют разделение газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного путем введения биомассы в блок 2 анаэробной ферментации, на метан и диоксид углерода. В блоке 8 сжигания метана осуществляют сжигание части отделенного метана для образования некоторого количества тепла, тогда как в блоке 16 реформинга метана с использованием пара реагирует оставшаяся часть метана в присутствии катализатора, в результате чего происходит разложение метана на углерод и водород. Реакция, протекающая в блоке 16 реформинга метана с использованием пара, следующая:

СН₄+2Н₂О-->СO₂+4Н₂-187,4 кДж/моль

В блок 10 связывания диоксида углерода подают диоксид углерода, выделенный в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода и водород и диоксид углерода, образованные в блоке 16 реформинга метана с использованием пара, для восстановления диоксида углерода при помощи водорода и фиксации его в виде порошкообразных углеродных частиц. Диоксид углерода, образованный в блоке 8 сжигания метана, также можно направлять в блок 10 связывания диоксида углерода, с тем, чтобы связать его в порошкообразные частицы углерода.

В блоке 12 конденсации осуществляют конденсацию и выпуск пара, образованного в блоке 10 связывания диоксида углерода, и пара, образованного в блоке 8 сжигания метана.

Фиг. 4 представляет блок-схему, иллюстрирующую четвертый вариант воплощения изобретения.

Аналогично третьему варианту изобретения, показанному на фиг.3, блок 4 разделения метана-диоксида углерода соединен с блоком 2 анаэробной ферментации для осуществления разделения газа, образованного в блоке 2 анаэробной ферментации на метан и диоксид углерода, а блок 16 реформинга метана с использованием пара предусмотрен для образования водорода из метана, выделенного в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, для использования его для восстановления и связывания диоксида углерода. Блок 10 связывания диоксида углерода соединен с блоком 4 разделения метана-диоксида углерода и с блоком 16 реформинга метана с использованием пара.

В этом варианте изобретения предусматривают блок 14 сжигания водорода для сжигания части водорода, образованного в блоке 16 реформинга метана с использованием пара, с целью получения источника тепла для блока 2 анаэробной ферментации и блока 16 реформинга метана с использованием пара.

Работу четвертого варианта способа по изобретению, показанного на фиг.4, осуществляют следующим путем.

В блоке 4 разделения метана-диоксида углерода осуществляют разделение газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного путем введения биомассы в блок 2 анаэробной ферментации, на метан и диоксид углерода. В блоке 16 реформинга метана с использованием пара осуществляют разложение отделенного метана на диоксид углерода и водород. В блоке 14 сжигания водорода сжигают часть водорода, образованного в блоке 16 реформинга метана с использованием пара, с образованием тепла сгорания. В блок 10 связывания диоксида углерода подают диоксид углерода, выделенный в блоке 4 разделения метана-диоксида углерода, а также водород и диоксид углерода, образованные в блоке 16 реформинга метана с использованием пара, для осуществления восстановления диоксида углерода при помощи водорода и связывания его в виде порошкообразных углеродных частиц.

В блоке 12 конденсации осуществляют конденсацию и выпуск пара, образованного в блоке 10 связывания диоксида углерода и пара, образованного в блоке 14 сжигания водорода.

Фиг. 5 представляет блок-схему, иллюстрирующую пятый вариант осуществления изобретения.

Блок 20 связывания диоксида углерода, снабжаемый смешанным газом, содержащим метан и диоксид углерода, для образования порошкообразных углеродных частиц, соединен с блоком 2 анаэробной ферментации.

Блок 20 связывания диоксида углерода включает катализатор, такой как Ni или Со на таком носителе, как, например, SiO₂ или Аl₂O₃ для образования водорода путем разложения метана при помощи катализатора в условиях нагревания до температуры 400-900^oС, при этом диоксид углерода восстанавливают при помощи образованного водорода и связывают его в виде кристаллических порошкообразных углеродных частиц. В блок 20 связывания диоксида углерода можно вводить диоксид углерода из внешних источников. Конденсатор 12 соединен с блоком 20 связывания диоксида углерода для конденсации и выпуска образованного пара.

В блоке 20 связывания диоксида углерода имеют место эндотермическая и экзотермическая реакции, и аналогично первому варианту осуществления изобретения здесь предусматривают блок 21 трансмиссии с целью передачи остающегося количества тепла в блок 2 анаэробной ферментации в случае, когда количество тепла, полученного от экзотермической реакции, больше количества тепла, потребляемого в эндотермической реакции.

Работа пятого варианта способа, показанного на фиг.5, описана ниже.

Соотношение метана и диоксида углерода в смешанном газе, образованном в результате введения биомассы в блок 2 анаэробной ферментации, составляет около 7:3. Образованный метан и диоксид углерода подают в блок 20 связывания диоксида углерода вместе с диоксидом углерода, подаваемым из внешних источников.

В блоке 20 связывания диоксида углерода осуществляют разложение метана на углерод и водород в присутствии катализатора (стадия разложения метана) и взаимодействие диоксида углерода с образованным водородом в присутствии катализатора с образованием углерода и водорода (стадия связывания диоксида углерода). Образованный углерод осаждают в виде кристаллических порошкообразных углеродных частиц на любой из стадий. Реакции, протекающие в блоке 20 связывания диоксида углерода, можно представить следующим образом.

Стадия разложения метана:

СН₄-->С+2Н₂-90,1 кДж/моль

Стадия связывания диоксида углерода:

СO₂+2Н₂-->С+2H₂O+96,0 кДж/моль

Стадия разложения метана представляет эндотермическую реакцию, а стадия связывания диоксида углерода представляет экзотермическую реакцию. В случае, когда остается какое-либо количество тепла в блоке 20 связывания диоксида углерода, это тепло используют как источник тепла для блока 2 анаэробной ферментации посредством блока 21 трансмиссии реакционного тепла.

Соотношение метана и диоксида углерода, подаваемых из блока 2 анаэробной ферментации в блок 20 связывания диоксида углерода, составляет около 7:3. Поскольку водород, образованный при разложении метана, остается после подачи газа из блока 2 анаэробной ферментации, образованный водород может быть полностью потреблен при подаче диоксида углерода извне системы.

Фиг. 6 представляет блок-схему, иллюстрирующую шестой вариант воплощения изобретения.

Шестой вариант изобретения отличается от пятого варианта, показанного на фиг. 5, тем, что блок 20 связывания диоксида углерода снабжен блоком 30 генерирования энергии, использующим реакционное тепло. Использующий реакционное тепло блок 30 генерирования энергии превращает тепло, оставшееся в блоке 20 связывания диоксида углерода, в электроэнергию для регенерирования и использования этой энергии.

Фиг.7 представляет блок-схему, иллюстрирующую седьмой вариант воплощения изобретения.

Блок 2 анаэробной ферментации соединен с блоком 18 сжигания метана и блоком 20 связывания диоксида углерода для подачи к ним смешанного газа, содержащего диоксид углерода и метан.

В блоке 18 сжигания метана сжигают метан и выпускают смешанный газ, содержащий диоксид углерода и пар. Блок 18 сжигания метана соединен с внутрисистемным блоком 26 подачи диоксида углерода, который включает конденсатор пара 22 и парожидкостный сепаратор 24, снабжаемый смешанным газом, содержащим пар и диоксид углерода, образованный в указанном блоке сжигания метана, и путь для подачи указанного диоксида углерода, отделенного в указанном парожидкостном сепараторе, в указанный блок связывания углерода для восстановления диоксида углерода до углерода.

В блок 20 связывания диоксида углерода подают смешанный газ, содержащий диоксид углерода и метан, образованный в блоке 2 анаэробной ферментации, а также диоксид углерода из парожидкостного сепаратора 24, без какой-либо подачи диоксида углерода из внешних источников. Поэтому количество водорода, который образуется на стадии разложения метана в блоке 20 связывания диоксида углерода, превышает количество, потребляемое на стадии связывания диоксида углерода. Для сжигания остаточного водорода блок 14 сжигания водорода соединен с блоком 20 связывания диоксида углерода. В основном для блока 20 связывания диоксида углерода требуется внешний источник энергии, т.к. в количественном отношении здесь в основном происходит эндотермическая реакция (стадия разложения метана) в сравнении с экзотермической реакцией (стадия связывания диоксида углерода). Для снабжения энергией тепло от сгорания, полученное в блоке 14 сжигания водорода и в блоке 18 сжигания метана, подают в блок 2 анаэробной ферментации и блок 20 связывания диоксида углерода посредством блока трансмиссии 21 для передачи реакционного тепла.

Ниже описана работа седьмого варианта способа по изобретению, показанного на фиг.7.

Часть смешанного газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного путем введения биомассы в блок 2 анаэробной ферментации, подают в блок 20 связывания диоксида углерода, в котором, в свою очередь, происходит образование углерода и водорода, как результат стадии разложения метана, восстановление диоксида углерод при помощи водорода и связывание его на стадии связывания диоксида углерода. Соотношение метана и диоксида углерода, подаваемых из блока 2 анаэробной ферментации в блок 20 связывания диоксида углерода, составляет около 7:3, и после реакции с диоксидом углерода некоторое количество водорода, образованного путем разложения метана, остается, даже при добавлении диоксида углерода, подаваемого из парожидкостного сепаратора 24. Остаточный водород подают в блок 14 сжигания водорода, в котором, в свою очередь, происходит его сжигание.

Часть смешанного газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованные в блоке 2 анаэробной ферментации, подают в блок 18 сжигания метана, в котором, в свою очередь, происходит сжигание метана для генерирования некоторого количества тепла.

Диоксид углерода и пар, образованные в блоке 18 сжигания метана, подают в конденсатор пара 22 для их уплотнения и после этого разделяют на диоксид углерода и воду при помощи парожидкостного сепаратора 24. Можно осуществить связывание всего количества диоксида углерода, образованного в системе устройства, путем подачи полученного в результате разделения в парожидкостном сепараторе 24 диоксида углерода в блок 20 связывания диоксида углерода.

Фиг. 8 представляет блок-схему, иллюстрирующую восьмой вариант осуществления изобретения.

Восьмой вариант изобретения отличается от седьмого варианта, показанного на фиг.7, тем, что обеспечивают блок 30 генерирования энергии, использующий тепло реакции, для блока 14 сжигания водорода и блока 18 сжигания метана, для превращения части указанного тепла, образованного в блоке сжигания метана, в электрическую энергию.

В результате обеспечения использующего тепло реакции блока 30 генерирования энергии тепло, остающееся в блоке 14 сжигания водорода или в блоке 18 сжигания метана, можно превратить в электроэнергию для восстановления и использования.

Фиг. 9 представляет блок-схему, иллюстрирующую девятый вариант осуществления изобретения.

Блок 2 анаэробной ферментации соединен с блоком 18 сжигания метана и блоком 20 связывания диоксида углерода для подачи смешанного газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного в блоке 2, в блок 18 сжигания метана и в блок 20 связывания диоксида углерода соответственно. Смешанный газ, содержащий диоксид углерода и пар, образованный в блоке 18 сжигания метана посредством сжигания последнего, подают в блок 20 связывания диоксида углерода через канал подачи. Обеспечивают блок 21 трансмиссии реакционного тепла для подачи тепла сгорания, полученного в блоке 18 сжигания метана, в блок 2 анаэробной ферментации.

Ниже описана работа девятого варианта осуществления изобретения, который представлен на фиг.9.

Часть смешанного газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного путем введения биомассы в блок 2 анаэробной ферментации, подают в блок 20 связывания диоксида углерода, в котором, в свою очередь, происходит взаимодействие метана и диоксида углерода в присутствии катализатора с образованием кристаллических порошкообразных частиц углерода и пара.

Оставшуюся часть смешанного газа, содержащего метан и диоксид углерода, образованного в блоке 2 анаэробной ферментации, подают в блок 18 сжигания метана, в котором затем осуществляют сжигание метана. Блок 21 трансмиссии реакционного тепла подает тепло сгорания, полученное в блоке 18 сжигания метана, в блок 2 анаэробной ферментации для использования его в качестве источника тепла для блока 2 анаэробной ферментации.

Диоксид углерода и пар, образованные в блоке 18 сжигания метана, подают в блок 20 связывания диоксида углерода. Соотношение метана и диоксида углерода, образованных в блоке 2 анаэробной ферментации, составляет около 7:3, и, следовательно, в блоке 20 связывания диоксида углерода, где происходит взаимодействие метана и диоксида углерода в соотношении 1:1, остается некоторое количество метана. Можно осуществить связывание всего количества диоксида углерода, образованного в системе устройства, путем доведения соотношения газа, образованного в блоке 2 анаэробной ферментации, подаваемого в блок 20 связывания диоксида углерода, и газа, подаваемого в блок 18 сжигания метана, так, чтобы сумма числа молей диоксида углерода, подаваемого из блока 18 сжигания метана в блок 20 связывания диоксида углерода, и диоксида углерода, подаваемого из блока 2 анаэробной ферментации в блок 20 связывания диоксида углерода, равнялась числу молей метана, подаваемого в блок 20 связывания диоксида углерода.

Фиг. 10 представляет блок-схему, иллюстрирующую десятый вариант осуществления изобретения.

Десятый вариант воплощения изобретения отличается от девятого варианта, показанного на фиг. 9, тем, что для блока 18 сжигания метана обеспечивают использующий реакционное тепло блок 30 генерирования энергии.

Путем обеспечения использующего реакционное тепло блока 30 генерирования энергии тепло, остающееся в блоке 18 сжигания метана, можно превращать в электроэнергию, которую можно регенерировать и использовать.

При помощи вариантов осуществления изобретения, показанных на фиг.1-10, можно связывать диоксид углерода, который является газом парникового эффекта, вызывающим глобальное аномальное потепление, а следовательно, внести глобальный вклад в защиту окружающей среды.

Углерод в виде порошкообразных твердых частиц, полученный в блоке 6 реформинга метана, или в блоке 10 связывания диоксида углерода, или в блоке 20, может заменять промышленный технический углерод (сажу). Таким образом, продукт, обычно получаемый из ископаемого сырья, можно заменить продуктом, получаемым из биомассы, способствуя тем самым экономии ресурсов. Часть полученного углерода может содержать фуллерен или углеродную структуру в виде мелких трубчатых частиц: (carbon nanotube), которые добавляют ценность продукту, и его можно использовать в качестве побочного продукта процесса очистки.

При отведении тепла сгорания, образованного в блоке 8 или 18 сжигания метана или блоке 14 сжигания водорода, в блок 2 анаэробной ферментации, блок 6 реформинга метана или блок 16 реформинга метана с использованием пара, можно снизить количество энергии, необходимой для нагревания анаэробного ферментера или блока 2 анаэробной ферментации для способствования процессу ферментации биомассы, добавить дополнительное количество тепла для эндотермической реакции в блоке 6 реформинга метана или блоке 16 реформинга метана с использованием пара и тем самым снизить стоимость процесса.

Когда в блоке 20 связывания диоксида углерода образуется избыточное количество тепла, избыточное тепло также можно использовать для нагрева остальных блоков, тем самым далее способствуя снижению затрат.

В варианте, включающем использующий реакционное тепло блок генерирования энергии, предназначенный для превращения тепла, образуемого в блоке 8 или 18 сжигания метана, блоке 14 сжигания водорода или другом блоке, обеспечивают часть электроэнергии, необходимой для работы устройства, получая при этом экономию затрат. Для использования отработанного тепла к блоку 8 или 18 сжигания метана, блоку 14 сжигания водорода или другому генерирующему энергию блоку можно подсоединить газотурбинное устройство или т.п.

Поскольку диоксид углерода, используемый в блоке 10 или 20 связывания диоксида углерода, в основном поступает из блока 2 анаэробной ферментации, блока 4 разделения метана-диоксида углерода или блока 16 реформинга метана с использованием пара, все количество диоксида углерода, образуемое в системе устройства, может быть связано путем отведения и связывания также диоксида углерода, образованного в блоке 8 или 18 сжигания метана или блоке 14 сжигания водорода.

Несмотря на то, что изобретение было подробно описано и проиллюстрировано, вполне очевидно, что приведенное описание дано только в качестве примера и иллюстрации и его нельзя рассматривать как ограничивающее данное изобретение. Объем изобретения ограничивает лишь прилагаемая ниже формула изобретения.