Спосіб виробництва вуглеводнів

Реферат: Даний винахід стосується способу виробництва рідких вуглеводнів, переважно палива для двигуна внутрішнього згоряння, з застосуванням як сировини вугілля або метану. В залежності від сировини їх піддають реакції газифікації та/або риформінгу та/або реакції зсуву водяного газу, який утворює синтез-газ, збагачений діоксидом вуглецю та воднем, а не монооксидом вуглецю та воднем, як при традиційному способі. Діоксид вуглецю та водень комбінують у реакції Фішера-Тропша для виробництва потрібних вуглеводнів та води. Потреби енергії реакції газифікації/риформінгу для виробництва синтез-газу, збагаченого діоксидом вуглецю та воднем, значно менші за потреби енергії реакції газифікації/риформінгу для виробництва традиційного синтез-газу, збагаченого монооксидом вуглецю. Таке зниження витрати енергії значно зменшує кількість діоксиду вуглецю, випущеного у атмосферу, у порівнянні з традиційними способами, що засновані на синтез-газі, збагаченому монооксидом вуглецю. Збагачений СО2 синтез-газ, що не прореагував, можна рециркулювати або можна застосовувати у паливних елементах з розплавленим карбонатом або для утворення енергії або пари у турбінних способах, таких як IGCC. UA 97804 C2 (12) UA 97804 C2 UA 97804 C2 5 Галузь винаходу Даний винахід стосується удосконалення ефективності вуглецю та зниження емісій діоксиду вуглецю при виробництві вуглеводнів реакцією Фішера-Тропша. Передумови винаходу Реакцію Фішера-Тропша застосовують, насамперед, для перетворення монооксиду вуглецю та водню, також відомого як "сингаз", на рідкі вуглеводні для застосування як палива. Типовою блок-схемою способу, де для синтезу вуглеводнів застосовують реакцію ФішераТропша, є: 10 15 У вищезазначеному способі газифікованою сировиною звичайно є вугілля або газ метан. На даній схемі Q1 представляє споживану енергію на ділянці газифікації (у випадку вугільної сировини) або риформінгу (у випадку газу метану), a Q 2 представляє виділену енергію з реакції синтезу Фішера-Тропша. Якщо у якості сировини застосовують вугілля, його спочатку перетворюють на монооксид вуглецю (СО) та газ водню (Н2) наступною реакцією газифікації: С+Н2ОСО+Н2. 20 Монооксид вуглецю потім частково перетворюють на діоксид вуглецю (СО 2) та водень (Н2) наступною реакцією зсуву водяного газу: СО+Н2ОСО2+Н2. 25 30 Реакцію зсуву водяного газу регулюють так, що забезпечується потрібне молярне співвідношення СО:Н2 для реакції Фішера-Тропша. Типово молярне газове співвідношення СО:Н2 складає 1:2. Утворений таким чином СО2 виходить з реакції та призводить до неефективності вуглецю. Якщо як сировину застосовують метан (СН4), проводять реакцію риформінгу: СН4+Н2ОСО+3Н2. 35 40 45 50 Як у випадку способу з вугіллям у якості сировини, реакція зсуву водяного газу частково перетворює монооксид вуглецю на діоксид вуглецю, так, що забезпечується потрібне молярне співвідношення СО:Н2 1:2 для реакції Фішера-Тропша. Утворений таким чином діоксид вуглецю виділяється з реакції. Як зазначено вище, комбінацію газів СО та Н2 називають "сингаз" та можуть застосовувати в реакції Фішера-Тропша для виробництва широкого діапазону хімічних продуктів на основі вуглецю, найбільш важливими з яких є паливо для двигунів внутрішнього згоряння. Процеси виробництва сингазу є ендотермічними і, як наслідок, для здійснення цих процесів необхідна значна кількість енергії. Вони також призводять до емісії значної кількості діоксиду вуглецю, який своєю назвою "парниковий газ" свідчить проти вищезазначених електростанцій на синтетичному паливі. З другого боку, вичерпання та все більш дорогі сировинні нафтопродукти разом із значними ресурсами природного газу та низькосортного вугілля свідчать проти будівництва та експлуатації таких електростанцій. Слід зазначити, що наступні вирази, при застосуванні у даному описі, мають наступні значення: 1. "Ефективність вуглецю" означає кількість вуглецю в усій сировині при способі (включаючи усі потоки сировини, що забезпечують енергію), який вважають вуглецем у бажаному продукті; та 1 UA 97804 C2 5 10 2. "Збагачений СО2 сингаз" означає суміш газів, де знаходяться СО 2, Н2 та CO. Композиція СО2 в цій суміш має надлишок СО2, що зазвичай спостерігалося б у традиційному сингазі. СО 2 застосовують як реагент та перетворюють на бажаний продукт. Мета винаходу Метою даного винаходу є забезпечення удосконалення ефективності вуглецю у виробництві вуглеводню з відповідним зниженням емісії діоксиду вуглецю. Стислий опис винаходу Відповідно до даного винаходу передбачається спосіб виробництва вуглеводнів із збагаченого СО2 сингазу, отриманого з придатної сировини, при якому проводять реакцію Фішера-Тропша зі збагаченим СО2 сингазом для виробництва вуглеводнів за загальним масовим балансом реакції: СО2+3Н2-СН2-+2Н2О. 15 Також передбачається реакція зсуву водяного газу, яка буде застосовуватися, де необхідно, для модифікування збагаченого СО2 сингазу та досягнення бажаної концентрації СО2. Також передбачається СО у збагаченому СО2 сингазі, який буде застосовуватися, для виробництва вуглеводнів за реакцією: 20 СО+2Н2-СН2-+Н2О. 25 30 35 40 45 50 55 Далі передбачається сингаз, який буде вироблений комбінацією реакцій газифікації та риформінгу, де застосовують більш ніж одну сировину, переважно вугілля та природний газ або метан, альтернативно, тільки реакції газифікації, де застосовують тверду сировину, переважно вугілля, та тільки реакції риформінгу, де застосовують природний газ, переважно метан, при газифікації/риформінгу. Далі передбачається метан, який буде постачатися зі сховища природного газу, або альтернативно метан, який буде утворюватися з мікробного розкладу відходів. Також передбачається споживана енергія для етапу газифікації/риформінгу, яку будуть регулювати для зсуву хімічних реакцій в сторону утворення СО 2, та СО2, який будуть застосовувати у комбінації з воднем для формування вуглеводневих сполук реакцією ФішераТропша. Далі передбачається діоксид вуглецю, що не прореагував, монооксид вуглецю та водень, які будуть рециркулювати, застосовувати для виробництва електрики та/або для утворення пари. Даний винахід поширюється на застосування невитрачених, альтернативно відходів СО 2 та Н2, які будуть застосовуватися у паливних елементах, переважно паливних елементах з розплавленим карбонатом, для забезпечення електричної енергії. Короткий опис графічних матеріалів Даний винахід нижче буде описаний тільки прикладом· та з посиланням на графічні матеріали, де: Фігура 1 представляє блок-схему реактора Фішера-Тропша за одним варіантом здійснення даного винаходу; та Фігура 2 представляє блок-схему одного варіанту здійснення паливного елементу з розплавленим карбонатом, здатного застосовувати надлишок або відходи СО 2 та Н2 для виробництва електричної енергії. Детальний опис графічних матеріалів За Фігурою 1 реакція Фішера-Тропша (1) для виробництва вуглеводнів включає введення сировини (2), при якому сировина постачається до реакції газифікації/риформінгу (3), де сировина перетворюється на збагачений СО2 сингаз (4), до ділянки синтезу Фішера-Тропша (5), де він перетворюється на продукти реакції Фішера-Тропша, що переважно є рідким вуглеводнем та водою. Газ, що не прореагував, або небажані газоподібні продукті можна рециклювати назад до реакції газифікації/риформінгу або подати на ділянку синтезу ФішераТропша (7). Якщо застосовують вугілля як сировину для виробництва монооксиду вуглецю та водню, реакція газифікації є наступною: С+Н2ОСО+Н2. 60 Якщо застосовують метан з джерела природного газу як сировину для перетворення на монооксид вуглецю та водень, реакція риформінгу є наступною: 2 UA 97804 C2 СН4+Н2ОСО+3Н2. 5 Монооксид вуглецю з кожної реакції потім частково перетворюють на діоксид вуглецю та водень наступною реакцією зсуву водяного газу: СО+Н2ОСО2+Н2. 10 15 Усі вищенаведені реакції відбуваються при реакції газифікації/риформінгу (3), а концентрацію діоксиду вуглецю можна змінити для задоволення конкретних потреб, шляхом зміни операційних умов реакції газифікації/риформінгу. Сингаз, вироблений в реакції газифікації/риформінгу (3), перекачують до ділянки синтезу Фішера-Тропша (5), де його, щонайменш, частково перетворюють на вуглеводень, який, в залежності від кінетики реакції, може бути придатним для застосування як палива для двигунів внутрішнього згоряння, як мастила або як мастики, згадано тільки декілька з продуктів. Реакція Фішера-Тропша із застосуванням, насамперед, діоксиду вуглецю та водню є наступною: СО2+3Н2-СН2-+2Н2О. 20 Монооксид вуглецю у збагаченому СО2 сингазі можна піддавати реакції з воднем для виробництва вуглеводнів: СО+2Н2-СН2-+Н2О. 25 30 35 40 45 50 Діоксид вуглецю, що не прореагував, монооксид вуглецю та водень можна рециркулювати з ділянки синтезу Фішера-Тропша (5) до етапу газифікації/риформінгу (3) через трубу (7) або назад до ділянки синтезу Фішера-Тропша. Витрати енергії для реакції газифікації/риформінгу (8) значно знижені завдяки утворенню збагаченого СО2 сингазу у порівнянні зі збагаченим СО сингазом, як у традиційному способі. На додаток до вищезазначеного діоксид вуглецю, що не прореагував, монооксид вуглецю та водень можна застосовувати для утворення електрики та/або пари, наприклад, та при способі IGCC (комбінований цикл виробництва електроенергії з попередньо газифікованого вугілля). На додаток до вищезазначеного, з посиланням на Фігуру 2, надлишок або відходи діоксиду вуглецю та водню можна застосовувати у паливному елементі з розплавленим карбонатом (10). Цей паливний елемент (10) застосовує високотемпературні сполуки солі, такої як натрієва або магнієва, у якості електроліту (11). Кисень (12) та діоксид вуглецю (13) подаються до елементу (10) на катод (14), де вони перетворюються на триоксид вуглецю, який мігрує до аноду (15) елемента (10), на який подається водень (16) як донор електронів. Утворена реакція продукує воду (17) на аноді (15) елемента. Оскільки карбонатні іони з електроліту витрачені у реакціях, необхідно вводити діоксид вуглецю в елемент для компенсації цього витрачання. Передбачається, що вищезазначена альтернатива традиційній реакції Фішера-Тропша для виробництва синтетичних вуглецевих продуктів зі збагаченого СО2 сингазу та традиційним способам виробництва сингазу утворює значно менше діоксиду вуглецю, який випускається до атмосфери, та, таким чином, більш безпечний для оточуючого середовища. Дані Наступна таблиця представляє дані необхідної сировини, а також продуктів, вироблених традиційною реакцією Фішера-Тропша на основі збагаченого CO сингазу, а також способом за даним винаходом на основі збагаченого СО 2 сингазу. Сировиною було вугілля. Також передбачається емісія діоксиду вуглецю та ефективність вуглецю у двох способах. Утворення 1 тонни вуглеводнів з вугільної сировини 3 UA 97804 C2 Традиційний спосіб: збагачений СО сингаз Сировина (тонни) Ділянка 1 - Газифікація Вугілля (вуглець) Вода Монооксид вуглецю Водень Діоксид вуглецю, отриманий зі споживаної енергії Ділянка 2 - Синтез Фішера-Тропша Монооксид вуглецю Водень Вуглеводні Діоксид вуглецю Вода Продукт (тонни) 1,29 1,93 3 0,43 1,57 3 0,43 1 1,57 0,64 Загальна емісія діоксиду вуглецю Ефективність вуглецю 3,14 50% Альтернативний спосіб: збагачений СО2 сингаз Сировина (тонни) Ділянка 1 - Газифікація Вугілля (вуглець) Вода, Диоксид вуглецю Водень Діоксид вуглецю, отриманий зі споживаної енергії Ділянка 2 - Синтез Фішера-Тропша Монооксид вуглецю Водень Вуглеводні Діоксид вуглецю Вода Загальна емісія діоксиду вуглецю Ефективність вуглецю 5 Продукт (тонни) 1,29 3,86 4,71 0,86 1,08 4,71 0,86 1 1,57 2,57 2,65 54% Ці розрахунки основані на ідеалізованих цілях для способу, та передбачається, що фахівець в даній галузі зможе адаптувати способи для задоволення конкретних умов та бажаної продукції. Крім того, буде оцінено те, що альтернативну сировину можна застосовувати замість вугілля або разом з вугіллям. Приклади такої альтернативної сировини включають збагачений метаном природний газ, отриманий зі сховищ природного газу, або утворений ферментацією природних звалищ відходів. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 1. Спосіб виробництва вуглеводнів, який включає стадії, на яких: (і) виробляють синтез-газ, збагачений СО2, з придатної сировини, та (іі) здійснюють реагування збагаченого СО2 синтез-газу реакцією Фішера-Тропша для утворення вуглеводнів за загальним масовим балансом реакції: СО2 + 3Н2 → -СН2- + 2Н2О. 2. Спосіб за п. 1, при якому застосовують реакцію зсуву водяного газу, де необхідно, для модифікування збагаченого СО2 синтез-газу та досягнення необхідної концентрації СО2. 3. Спосіб за п. 1 або п. 2, при якому СО у збагаченому СО 2 синтез-газі також застосовують для виробництва вуглеводнів за реакцією: CO + 2Н2 → -СН2- + Н2О. 4 UA 97804 C2 5 10 15 20 4. Спосіб за будь-яким пп. 1-3, при якому синтез-газ одержують комбінацією реакцій газифікації та риформінгу, де застосовують більш ніж одну сировину. 5. Спосіб за п. 4, при якому як сировину застосовують вугілля та природний газ або метан. 6. Спосіб за будь-яким пп. 1-3, при якому синтез-газ одержують реакціями газифікації, тільки коли застосовують тверду сировину. 7. Спосіб за п. 6, при якому твердою сировиною є вугілля. 8. Спосіб за будь-яким пп. 1-3, при якому синтез-газ отримують реакціями риформінгу, тільки коли застосовують природний газ. 9. Спосіб за п. 8, при якому газом є метан. 10. Спосіб за п. 9, при якому метан постачають зі сховища природного газу. 11. Спосіб за п. 9, при якому метан одержують мікробним розкладом відходів. 12. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, при якому збагачений СО 2 синтез-газ виробляють регулюванням енергії, яку вводять на етапі газифікації або риформінгу для вироблення синтезгазу таким чином, щоб зсувати хімічну реакцію в сторону утворення СО2. 13. Спосіб за п. 12, в якому діоксид вуглецю, монооксид вуглецю та водень, що не прореагували, рециркулюють до газифікації або риформінгу. 14. Спосіб за п. 12, в якому діоксид вуглецю та водень, що не прореагували, застосовують для виробництва електрики. 15. Спосіб за п. 12, в якому діоксид вуглецю, монооксид вуглецю та водень, що не прореагували, застосовують для утворення пари. 16. Спосіб за п. 14, в якому діоксид вуглецю та водень, що не прореагували, застосовують у паливних елементах для виробництва електрики. 17. Спосіб за п. 16, в якому паливними елементами є паливні елементи з розплавленим карбонатом. Комп’ютерна верстка О. Гапоненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5