Опытно-промышленная установка для непрерывного получения водорода и графита путем пиролиза метана

Результат опытно-конструкторской работы. Разработка относится к газовой промышленности и может быть использована для получения водорода и структурированного углерода путем пиролиза метана практически при отсутствии выбросов окислов углерода (СО, СО2) в окружающую среду. Экологические проблемы стимулировали разработку эффективных методов низкоуглеродного получения водорода. Одним из перспективных методов является процесс термического (пиролитического) разложения метана и других углеводородов, преимущество которого состоит в образовании водорода без примесей оксидов углерода и азота, одностадийность процесса и возможность использования образующегося углерода в промышленности. Это позволяет снизить стоимость получаемых продуктов. Снижение стоимости и упрощение производства возможно за счет применения энергоэффективных систем нагрева. Устройство для пиролиза углеродсодержащих газов включает реакторы их термического разложения на водород и углерод, вертикально – цилиндрическую газовую печь, внутри которой расположены реакторы, размещенные в металлических трубах с целью защиты от топочного пространства печи. В нижней части газовой печи расположены две горелки – растопочная (работающая на метане) и рабочая, в которой для сжигания используется часть получаемого в процессе пиролиза водорода. Наружная стенка газовой печи защищена тепловой изоляцией. В устройстве пиролиза предусмотрены теплообменники для глубокого охлаждения уходящих газов и для охлаждения верхней и нижней части реакторов. Каждый реактор имеет ёмкость для сбора углерода с верхней и нижней задвижкой и снабжен системой очистки от углеродных отложений без остановки процесса пиролиза. Очистка осуществляется в периодическом режиме 1 раз в час путем включения блока электропитания и возвратно-поступательного перемещения катушки, увлекающей за собой всю систему очистки. Экспериментальное устройство пиролиза метана с одним реактором и с глубоким охлаждением уходящих газов изготовлено в Самарском государственном техническом университете. Результаты предварительных экспериментальных исследований показывают, что выход на рабочий режим происходит в течение 7 – 10 мин. При этом в качестве сжигаемого в горелке газа применялась продуцируемая в реакторе метано-водородная смесь в соотношении 50:50, а в качестве сырьевого газа – метан. В соответствии с расчетными данными для производства 1 м3 водорода на предлагаемой установке пиролиза углеводородов требуется подвести к углеводородному газу (метану) 1,9 кВт*ч тепловой энергии. Удельная теплота сгорания 1 м3 водорода составляет 3,0 кВт*ч. Следовательно, для осуществления процесса пиролиза углеводородов (метана) в стационарном режиме на предлагаемой установке требуется направлять на горелочное устройство 63% продуцируемого водорода. Таким образом, для производства 1 м3 водорода потребуется 1,59 м3 метана, при этом не будет потребляться энергия извне, и не будут производиться выбросы окислов углерода в атмосферу. При глубоком охлаждении (до 40 °C) уходящих газов (водяных паров – при сжигании водорода) получается 0,5 л чистой дистиллированной воды на 1 м3 сожженной смеси газов. Заявленное изобретение обеспечивает эффективное непрерывное получение водорода и структурированного углерода, снижение негативного воздействия на окружающую среду и уменьшение потребления энергии.