RS62228B1 - Postupak za modifikaciju zapreminske struje gasa koja sadrži metan - Google Patents

Description

Opis

[0001] Ovaj se pronalazak odnosi na postupak za modifikaciju zapreminske struje gasa koja sadrži metan.

[0002] Ekspanzija obnovljivih energija (RE) koje imaju nepostojane profile proizvodnje i moguće ih je regulisati samo neefikasno predstavlja sve veći izazov za energetske infrastrukture. Pored širenja mreže i rešenja za upravljanje opterećenjem, neophodno je i obezbeđivanje pogodnih skladišnih kapaciteta. Ovde se razmatraju ne samo visoka dinamična skladišta za stabilizovanje električnih mreža, već i tehnologije za preuzimanje velikih viškova energije iz obnovljivih izvora (RE). Što se tiče ovog poslednjeg, trenutno se pored već dokazanih reverzibilnih hidroelektrana, naročito razmatra i teži daljem istraživanju i razvoju postrojenja za skladištenje komprimovanog vazduha i hemijsko skladištenje u vidu vodonika. Što se tiče vodonika, pored zahteva za drastičnim smanjenjem kapitalnih troškova u vezi sa komponentama, i za povećanjem efikasnosti u koracima pretvaranja, ostaje pitanje pogodne infrastrukture za skladištenje, raspodelu i upotrebu vodonika.

[0003] Poslednjih godina, bilo je brojnih pristupa u pogledu infrastrukture za vodonik.

Razlikujemo rešenja u kojima se vodonik odvojeno skladišti, transportuje i koristi. Naročito primer vozila na vodonik pokazuje da postoje prepreke tokom uvođenja koje nisu zanemarljive, ako se takvi koncepti zasnivaju na teritorijalno rasprostranjenoj dostupnosti nosača energije. Takođe, često se prednost daje korišćenju centralnih podzemnih pećinskih skladišta za skladištenje vodonika što predstavlja značajnu polaznu prepreku, zbog visokog početnog kapitalnog ulaganja. Ništa manji problem ne predstavlja ni to što bi bilo neophodno da korisnici instaliraju novu opremu.

[0004] Kao posledica toga, mnogo se radilo na korišćenju postojećih infrastruktura prirodnog gasa za skladištenje i transport regenerativno generisanog vodonika. U kontekstu projekta koji je finansirala EU pod nazivom NaturalHy, proučavana je i pokazana tehnička i posebno bezbednosno povezana izvodljivost dovoda vodonika u cevovode za prirodni gas. Relativno visoki, i posebno nepostojani udeli vodonika u prirodnom gasu, međutim, dovode do problema kod krajnje opreme, jer najveći deo krajnje opreme dozvoljava samo komparativno uzak opseg onoga što je poznato pod pojmom Vobeov indeks (Wobbe-Index) i proširivanje opsega bi prouzrokovalo složene dodatne instalacije na krajnjoj opremi. Taj Vobeov indeks zapaljivog gasa kako je precizirano u DIN 51857 izračunava se iz vrednosti grejanja i relativne gustine gasa i opisuje učinak toplote postignut u sagorevanju gasa u gorioniku sa mlaznicom. U Holandiji, na primer, Vobeov indeks mora biti održavan unutar opsega od približno 1 MJ/m<3>. Međutim, čak i kod niskih udela od približno 5% zapremine, dodavanje vodonika dovodi do udaljavanja od tog opsega. Direktan dovod vodonika u standardne gasne mreže koje se koriste, na primer, za raspodelu prirodnog gasa, je samim tim moguć samo u ograničenoj meri.

[0005] Još jedna mogućnost za namensku upotrebu velikih količina električne energije koja potiče iz obnovljivih izvora, predstavlja pretvaranje vodonika i ugljen monoksida ili ugljen dioksida u metan pa će za to u daljem tekstu biti korišćen pojam metanacija. U ovom slučaju, u principu ne postoji ograničenje u vezi sa količinom električne energije koja se dovodi. Sa druge strane, neophodno je napomenuti da metanacija, pored proizvodnje vodonika, zahteva značajne troškove u smislu aparata i prate je dodatni gubici energije. Na primer, metanacija se odvija u postupku gasne faze na oko 200 do 300 °C na visokom pritisku. Reakcija je ograničena ravnotežom, i tako je neophodna više ili manje detaljna razrada i kruženje procesnih gasova. Pored toga, reakcija je visoko egzotermna. Toplotu iz reakcije generalno -a posebno u slučaju relativno velikih postrojenja - nije moguće koristiti ili ju je moguće koristiti samo delimično. Samim tim se već ionako niska efikasnost dodatno smanjuje u celokupnom lancu pretvaranja.

HYDROGEN-ENRICHED NATURAL GAS", Januar 2009 (2009-01-01), XP055034893 opisuje postupak obogaćivanja prirodnog gasa vodonikom putem električne energije "van sati najviše potrošnje".

[0006] U svetlu stanja tehnike, sada je cilj ovog pronalaska da se obezbedi tehnički poboljšan postupak za upotrebu, posebno za skladištenje ili namensku upotrebu električne energije, koji nije opterećen nedostacima uobičajeno korišćenih postupaka.

[0007] Tako, električna energija, a posebno višak obnovljive energije, treba da se pogodnim postupkom pretvara u oblik koji je moguće skladištiti postupkom prema ovom pronalasku.

[0008] Cilj je ovog pronalaska je naročito da se pronađu načini koji omogućavaju da se u poređenju sa stanjem tehnike, smanji trošak u pogledu aparata i operacija kada je reč o skladištenju, transportu i upotrebi poželjno regenerativno proizvedenog vodonika.

[0009] Pored toga, postupak treba da bude moguće izvesti tako da bude pogodan za proizvodne razmere, tako da relativno mala postrojenja, koja je moguće napraviti i na modularan način, mogu da se koriste za izvođenje skladištenja. Pored toga, treba da bude moguć decentralizovan rad postrojenja za proizvodnju.

[0010] Taj postupak, pored toga, treba da ima što je moguće višu efikasnost. Pored toga, postupak prema ovom pronalasku treba da bude pogodan za rad korišćenjem standardne i u velikoj meri postojeće infrastrukture.

[0011] Pored toga, postupak prema ovom pronalasku treba da obezbedi dragocene hemikalije koje nastaju kao dodatni prateći proizvodi u ovom postupku.

[0012] Pored toga, postupak treba da bude pogodan za što jednostavnije i jeftinije izvođenje.

[0013] Osim toga, postupak treba da bude pogodan za izvođenje sa što manje procesnih koraka, pri čemu isti treba da bude jednostavan i izvodljiv.

[0014] Pored toga, izvođenje ovog postupka ne treba da bude povezano sa opasnošću za životnu sredinu ili ljudsko zdravlje, tako da je moguće izbeći upotrebu supstanci ili jedinjenja opasnih po zdravlje koja bi mogla biti povezana sa negativnim efektima po životnu sredinu.

[0015] Pored toga, postupak treba da bude pogodan za upotrebu nezavisno od dostupnog kvaliteta prirodnog gasa.

[0016] Ovi ciljevi, i takođe dodatni ciljevi koji nisu izričito navedeni, koje je međutim lako moguće izvesti ili o njima zaključiti iz odnosa koji se ovde razmatraju i iznose, dobijeni su postupkom u kom se podstruja zapreminske struje gasa koja sadrži metan tretira plazmom na takav način da se deo metana pretvara u vodonik i više ugljovodonike i tretirana podstruja dobije višu gorivnu vrednost nego što to ima zapreminska struja gasa koja sadrži metan.

[0017] Ovaj pronalazak se dakle odnosi na postupak za modifikaciju zapreminske struje gasa koja sadrži metan, i koji obuhvata sledeće korake:

i) Uzimanje podstruje iz zapreminske struje gasa koja sadrži metan,

ii) Tretiranje te podstruje električni generisanom plazmom, uz generisanje modifikovane smeše gasa koja ima niži udeo metana nego zapreminska struja gasa koja sadrži metan i

iii) Vraćanje modifikovane smeše gasa u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan.

[0018] Moguće je dakle na potpuno neočekivan i nepredvidiv način obezbediti postupak tipa iznetog gore u tekstu, koji ima posebno dobar profil svojstava i koji posebno nije opterećen nedostacima standardnih postupaka.

[0019] Zapreminskom strujom gasa koja sadrži metan, prema ovom pronalasku se smatra zapreminska struja gasa koja, pored metana, može da sadrži i druga gasovita jedinjenja. Korišćena zapreminska struja gasa koja sadrži metan poželjno ima udeo metana od najmanje 50% zapremine, naročito poželjno najmanje 60% zapremine, i specifično najmanje 80% zapremine. Poželjno, zapreminska struja gasa koja sadrži metan je prirodni gas, gradski gas ili biogas, naročito poželjno prirodni gas. Naročito poželjno, zapreminska struja gasa koja sadrži metan je prirodni gas koji struji kroz cevovod ili distributivni vod prirodnog gasa.

[0020] U postupku prema ovom pronalasku, poželjno najviše 80%, naročito poželjno najviše 60%, i specifično najviše 40% zapreminske struje gasa koja sadrži metan je uzeto kao podstruja.

[0021] Podstruju koja je uzeta je pre tretmana plazmom moguće skladištiti, posebno privremeno skladištiti, preusmeriti i/ili tretirati.

[0022] U postupku prema ovom pronalasku podstruja koja je uklonjena je tretirana sa električno generisanom plazmom. Izraz električno generisana plazma prema ovom pronalasku određuje električno ili elektromagnetno generisano ispuštanje gasa. Električno generisana plazma može da bude svetleće električno pražnjenje koje se odvija daleko od toplotne ravnoteže (plazma neravnoteže sa visokom temperaturom elektrona), ili pražnjenje gasa koje je blizu toplotnoj ravnoteži (kvazi izotermička plazma). Postupci za generisanje plazme su poznati stručnjacima u ovoj oblasti iz Rutscher/Deutsch: Plasmatechnik -Grundlagen und Anwendungen - Eine Einführung, Lizenzausgabe für den Carl Hanser Verlag München Wien, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1984, Kapitel 1.2 "Erzeugung des Plasmazustandes", stranice 46 do 58.

[0023] Tretiranje plazmom može u principu da bude izvedeno na bilo kom željenom pritisku. Za taj tretman, pritisak u uzetoj podstruji je moguće smanjiti. Poželjno, međutim, postupak se izvodi na pritisku koji se razlikuje tek nešto malo od pritiska struje gasa koja sadrži metan, tako da nema složenog prilagođavanja pritiska ili neophodne kompresije za vraćanje pritiska.

[0024] Poželjno, plazma se generiše pražnjenjem dielektrične barijere (DBD). Uređaji za generisanje pražnjenja dielektrične barijere u zapreminskoj struji gasa su poznati stručnjacima u ovoj oblasti i komercijalno su dostupni, na primer za proizvodnju ozona iz kiseonika. Generisanje dielektrične barijere u metanu sa formiranjem etana je opisano u Beitr. Plasmaphys. (1983) 181-191. Tretiranje plazmom generisanom pražnjenjem dielektrične barijere se poželjno izvodi na pritisku manjem od 50 bara, posebno poželjno manjem od 10 bara, i posebno manjem od 1,2 bara. Pražnjenjem dielektrične barijere je moguće upravljati sa naizmeničnom strujom niske frekvencije, na primer sa frekvencijom mreže od 50 Hz. Za povećanje propusnosti, moguće je izvesti operacije na višim frekvencijama i do 100 GHz. Poželjno, operacije je moguće izvesti na tehnički uobičajenim opsezima od oko 13 MHz, 900 MHz ili 2,4 GHz.

[0025] Geometrija i uslovi rada praženjenja dielektrične barijere se poželjno biraju na takav način da se proizvod nalazi između širine procepa prostora za gas između elektroda i pritiska gasa u opsegu od 0,75*10<-3>do 7,5*10<3>mm*bara.

[0026] U alternativnom poželjnom izvođenju, plazma se generiše lučnim pražnjenjem.

Uređaji za generisanje lučnog pražnjenja u zapreminskoj struji gasa su poznati stručnjacima u ovoj oblasti iz postupaka proizvodnje za acetile i opisani su u Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Auflage, Vol. A1, 115-116 i Vol. A20, 428-434. Lučnim pražnjenjem je moguće upravljati jednosmernom strujom ili naizmeničnom strujom. U postupku prema ovom pronalasku, luk formiran pražnjenjem gasa je poželjno podvrgnut duvanju sa najmanje delom podstruje. U postupku prema ovom pronalasku, brzina podstruje i unos energije preko lučnog pražnjenja su poželjno izabrani na takav način da se kao rezultat javlja značajno niži unos energije povezane sa masom nego u poznatim postupcima za proizvodnju acetilena. U poželjnom izvođenju, deo podstruje se provlači kroz lučno pražnjenje i vruć gas koji se dobija kao rezultat se neposredno posle toga mešanjem sa ostatkom podstruje hemijski i termički gasi. U još jednom poželjnom obliku izvođenja, generisanjem lučnog pražnjenja u struji vodonika, se stvara plazma i zapreminska struja gasa se tretira tako dobijenom plazmom. Za generisanje lučnog pražnjenja u struji vodonika poželjno se koristi gorionik za plazmu i mlaz plazme vodonika generisan na taj način se usmerava u podstruju.

[0027] U još jednom izvođenju, umesto lučnog pražnjenja, plazmu je moguće generisati varničnim pražnjenjem, radiofrekvencijskim pražnjenjem ili visokofrekvencijskim pražnjenjem, npr. mikrotalasnim pražnjenjem.

[0028] Podstruju je moguće tretirati nekoliko puta sa električno generisanom plazmom, pri čemu se pražnjenja dielektrične barijere, lučna pražnjenja, varnična pražnjenja, radiofrekvencijska pražnjenja i visokofrekvencijska pražnjenja mogu takođe kombinovati međusobno.

[0029] Kod tretiranja plazmom, metan reaguje da bi formirao više ugljovodonike i vodonik, posebno da bi formirao etan i vodonik, u skladu sa jednačinom za tu reakciju:

2 CH4→ C2H6+ H2

[0030] Smeša gasa modifikovana tretiranjem plazmom poželjno ima viši sadržaj vodonika i etana nego podstruja koja je povučena. Pored etana, mogu takođe da se dobiju viši ugljovodonici kao što je propan i butan. Zavisno od procesnih uslova tretiranja podstruje plazmom, posebno pri višem unosu energije i višim temperaturama plazme, pored nezasićenih ugljovodonika, kao što je etan, propeni acetilen, takođe može da se formira crni ugljenik. Smeša gasa modifikovana tretiranjem plazmom samim tim posebno poželjno ima i viši sadržaj propana, etena i/ili propena nego podstruja koja je uzeta. Ako zapreminska struja gasa koja sadrži metan sadrži kiseonik, vodu ili ugljen dioksid, smeša gasa modifikovana tretiranjem plazmom, pored toga, može da sadrži povećani udeo ugljen monoksida.

[0031] Električna energija korišćena za generisanje plazme može da se prilagodi dinamički u skladu sa dovodom električne energije. Poželjno električna energija koja potiče iz viška struje koja je posebno poželjno dobijena iz izvora obnovljive energije. Upotrebom postupka prema ovom pronalasku, prekomerna ponuda električne energije, koju nije moguće dovesti u električnu mrežu usled opteretivosti električne mreže ili nedovoljne električne opreme u vreme dovođenja, može vrlo efikasno da se čuva u obliku hemijske energije. Tretiranje plazmom prema ovom pronalasku je poželjno projektovano tako da se može regulisati, pri čemu ta regulacija može da se odvija naročito kao funkcija napajanja električnom energijom.

[0032] Zavisno od dostupne energije i veličine uzete podstruje zapreminske struje gasa, sastav modifikovane smeše gasa može da u velikoj meri bude nepostojana, pri čemu se sadržaj metana smanjuje u odnosu na korišćeni gas koji sadrži metan. Pored toga, veličina zapreminske struje gasa koja sadrži metan može da bude nepostojana, tako da pošto se smeša modifikovanog gasa vrati u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan, kao rezultat, nastaje nepostojanost njegovog sastava. Generalno se shodno tome dobijaju prosečne vrednosti, pri čemu pretvaranje može često da bude izabrano tako da bude relativno nisko, a da postrojenje ne postane neekonomično. Prema posebnom obliku izvođenja, gledano tokom godine, proporcija metana u smeši modifikovanog gasa može biti najmanje 20% zapremine, poželjno najmanje 40% zapremine i posebno poželjno najmanje 60% zapremine. Povećanje sadržaja viših ugljovodonika u modifikovanoj smeši gasa može da bude, na primer, u opsegu od 0,01 do 40% zapremine, poželjno 1 do 30% zapremine i naročito poželjno 5 do 20 % zapremine. Ove vrednosti važe pre podešavanja Vobeovog indeksa na preciziranu vrednost, pri čemu ova informacija predstavlja prosečnu vrednost koju treba utvrditi tokom jedne godine.

[0033] Osim toga može biti predviđeno da tretiranje plazmom pokreće hemijsku reakciju metana dalje u smeru narednih viših ugljovodonika zavisno od željenih ciljnih vrednosti Vobeovog indeksa. U ovom slučaju, reakcija metana može da se kontroliše, posebno, u zavisnosti od izrazito fluktuirajuće električne energije, na takav način da u slučaju velike ponude obnovljivih energija, u reakciji bude više metana, i u slučaju slabe ponude, u reakciji bude manje metana.

[0034] Ako se u uređaju u kom se izvodi tretiranje plazmom formiraju naslage, na primer čađi ili katrana, one mogu biti uklonjene tako što se u uređaju generiše plazma u gasu koji sadrži kiseonik, na primer vazduhu. Preporučljivo, u ovu svrhu, tretiranje podstruje se prekida ili se talozi uklanjaju u periodu u kom nema podstruje koju treba tretirati.

[0035] Posle tretiranja plazmom, smeša modifikovanog gasa se potpuno ili delimično vraća u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan. Poželjno, najmanje 20% zapremine, posebno poželjno najmanje 60% zapremine, i posebno najmanje 80% zapremine, smeše modifikovanog gasa je vraćeno u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan. Pre nego što se smeša modifikovanog gasa vrati u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan, komponente koje ometaju transport gasa u vodu, kao što su čađ ili viši ugljovodonici, mogu da se uklone pogodnim postupcima kao što je filtracija, kondenzacija ili ispiranje gasom. Ako je pritisak uzete podstruje smanjen pre ili tokom tretiranja sa električno generisanom plazmom, smeša modifikovanog gasa se poželjno dovodi na viši pritisak korišćenjem kompresora, pre nego što se vrati u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan.

[0036] Smeša modifikovanog gasa generisana tretiranjem sa plazmom može da se skladišti, posebno privremeno skladišti, preusmeri i/ili naknadno tretira, pre nego što se potpuno ili delimično vrati u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan.

[0037] Preporučljivo, posle povratka u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan, modifikovana smeša gasa ima Vobeov indeks sličan indeksu zapreminske struje gasa koja sadrži metan. Poželjno, odnos Vobeovog indeksa smeše modifikovanog gasa i Vobeovog indeksa zapreminske struje gasa koja sadrži metan je u opsegu od 0,7:1 do 1:0,7, specifično poželjno u opsegu od 0,85:1 do 1:0,85 i posebno u opsegu od 0,95:1 do 1:0,95.

[0038] Sličan Vobeov indeks smeše modifikovanog gasa i zapreminske struje gasa koja sadrži metan moguće je postići malom brzinom pretvaranja metana tokom tretiranja plazmom. Da bi se postigao sličan Vobeov indeks smeše modifikovanog gasa i zapreminske struje gasa koja sadrži metan nezavisno od brzine pretvaranja metana, međutim, poželjno se u smešu modifikovanog gasa pre vraćanja dodaje dodatni gas, poželjno gas koji nije zapaljiv ili ima nižu grejnu vrednost od zapreminske struje gasa koja sadrži metan. Moguće je na taj način u postupku prema ovom pronalasku osigurati da viša grejna vrednost smeše modifikovanog gasa, u poređenju sa uzetom podstrujom, ne dovodi do velike promene Vobeovog indeksa u zapreminskoj struji gasa koja sadrži metan, što bi moglo da bude nedostatak za krajnjeg korisnika, zbog uskog prihvatljivog opsega Vobeovog indeksa za opremu krajnjeg korisnika. Za snižavanje Vobeovog indeksa na vrednost koju unapred odredi operater gasovoda, poželjno se dodaje dodatni gas koji sadrži kiseonik, azot, ugljen dioksid, ugljen monoksid i/ili vodonik. Dodatni gas može, pored toga, da sadrži i vodenu paru, pri čemu sadržaj vodene pare treba da se drži dovoljno nisko tako da posle povratka smeše modifikovanog gasa u struju gasa koja sadrži metan, predviđena tačka rošenja ne bude prekoračena.

[0039] Poželjno se kiseonik i azot dodaju u obliku vazduha. Prekomerno visok Vobeov indeks u slučaju visoke stope pretvaranja metana može da se snizi do zahtevane vrednosti odgovarajućom mešavinom vazduha. Pri odgovarajuće niskoj stopi pretvaranja metana kod tretiranja plazmom, za ovu namenu su potrebne tako niske količine vazduha da se dozvoljena maksimalna vrednost kiseonika (smernice DVGW: 4 %) ne prekorači.

[0040] Kada struja gasa koja sadrži metan jeste prirodni gas, dodati dodatni gas može takođe da bude biogas koji poželjno nije prečišćen, ili je prečišćen samo delimično, i ima niži Vobeov indeks nego prirodan gas.

[0041] U poželjnom alternativnom izvođenju, vodu je takođe moguće elektrolizovati u vodonik koji se zatim dodaje u modifikovanu smešu gasa, poželjno u prirodni gas, kao dodatni gas za podešavanje Vobeovog indeksa. Poželjno, višak struje se koristi ne samo za tretiranje plazmom već i za elektrolizu, pri čemu se raspodela struje za tretiranje plazmom i elektrolizu bira na takav način da Vobeov indeks, posle dodavanja vodonika generisanog elektrolizom, odgovara Vobeovom indeksu zapreminske struje gasa koja sadrži metan. Kao suprotnost direktnom dodavanju čistog vodonika u vodove prirodnog gasa koji već u opsegu zapreminskog udela vodonika od samo nekoliko procenata dovodi do značajnog smanjenja Vobeovog indeksa prirodnog gasa, u slučaju takvog spajanja tretmana plazme i elektrolize, uz održavanje unapred određenog Vobeovog indeksa relativno velike količine vodonika mogu da se dovedu u vod za prirodni gas. Projektovanje i rad kombinacije elektrolize i tretiranja plazmom može u ovom slučaju da se jednostavno prilagodi kvalitetu lokalnog prirodnog gasa i, čak i posle pokretanja, nepostojanim kvalitetima prirodnog gasa.

Konstrukcija i rad kombinacije elektrolize i tretiranja plazmom mogu lako da se prilagode kvalitetu prirodnog gasa te čak i posle puštanja u rad promenljivom kvalitetu prirodnog gasa. Pored toga, nešto od „viška struje“ ide u obogaćivanje kalorijske (grejne) vrednosti prirodnog

1

gasa, tako da za isti „učinak skladištenja“ specifično skupa elektroliza može da se izvede jeftinije nego u slučaju čistog skladištenja putem elektrolizom generisanog vodonika.

[0042] U preporučenom izvođenju postupka prema ovom pronalasku, Vobeov indeks smeše modifikovanog gasa se meri kontinualno ili neprekidno i količina dodatog prirodnog gasa se reguliše izmerenom vrednošću. Pogodni instrumenti za kontinualno ili isprekidano merenje Vobeovog indeksa mešavine gasa su komercijalno dostupni, na primer pod imenom CWD2005 kalorimetra proizvođača Union Instruments ili pod nazivom RHADOX™ analizator kompanije AMS Analysen-, Mess- und Systemtechnik.

[0043] Kao alternativa dodavanju prirodnog gasa posle tretiranja plazmom, dodatni gas takođe je moguće dodati pre ili tokom tretiranja plazmom. U preporučenom izvođenju dodavanja dodatnog gasa tokom tretiranja plazmom, lučnim pražnjenjem u struji vodonika se generiše plazma i podstruja se tretira plazmom koja je tako generisana. Poželjno se za generisanje plazme u ovom slučaju koristi takozvani plazmatron, kako je opisano u priručniku Rutscher/Deutsch: Plasmatechnik - Grundlagen und Anwendungen - Eine Einführung, Lizenzausgabe für den Carl Hanser Verlag München Wien, VEB Fachbuchverlag Leipzig, 1984, Kapitel 1.2 "Erzeugung des Plasmazustandes", na stranicama 241 do 247. Struja vodonika korišćena u ovu svrhu se poželjno generiše elektrolizom vode.

[0044] U još jednom poželjnom izvođenju, najmanje jedna komponenta je selektivno izabrana iz smeše modifikovanog gasa. Poželjno, ova komponenta je vodonik, ugljen monoksid, eten, propen ili propan. Dve ili više komponenata je takođe moguće odvojiti zasebno ili zajedno. Odvajanje komponente može da se odvija korišćenjem postupaka u ovu svrhu poznatih stručnjacima u ovoj oblasti i poželjno se odvija korišćenjem postupka sa membranom. U vezi sa ovim neophodno je utvrditi da potpuno odvajanje nije neophodno, ali da je stepen odvajanja moguće optimizovati na osnovu ekonomskih razmatranja. Na primer, vodonik je moguće odvojiti za hidrogenacije, a eten i/ili propen za hemijske sinteze. U preporučenom izvođenju postupka prema ovom pronalasku, struja vodonika se generiše selektivnim odvajanjem vodonika iz smeše modifikovanog gasa, a u ovoj struji vodonika se lučnim pražnjenjem generiše plazma i podstruja se tretira sa tako generisanom plazmom. Poželjno, zapremina smeše modifikovanog gasa je smanjena selektivnim odvajanjem komponenata za najviše 60% zapremine, posebno poželjno za najviše 40% zapremine, i posebno za najviše 20% zapremine.

[0045] Ako zapreminska struja gasa koja sadrži metan jeste prirodan gas u mreži prirodnog gasa, kao alternativa te komponente takođe mogu da se uzimaju iz mreže prirodnog gasa na bilo kojim željenim tačkama uzimanja. Bilo bi jednostavnije, na primer, (specifično izvodljivo u relativno malim postrojenjima) da se vodonik odvoji iz mreže za prirodni gas na mestu upotrebe pre nego da se generiše reformiranjem prirodnog gasa. Alternativno, etan, eten, propan i/ili propen bi mogli biti izolovani kao LPG. Tokom uzimanja, možda treba da se razmotri održavanje Vobeovog indeksa u vodu za prirodni gas. Posle smanjenja udela vodonika, Vobeov indeks mešavine osiromašenog gasa može da se poveća, pri čemu posle uzimanja viših ugljovodonika, Vobeov indeks može da opadne. Da bi se Vobeov indeks održao konstantnim, moguće je napraviti uslov da i vodonik i dragocena supstanca kao što je eten ili propen budu uzeti u tački uzimanja koja je udaljena od tretmana plazmom.

Alternativno, može da se uzme vodonik i da se u tački uzimanja doda drugi gas, koji nije zapaljiv, kao što je, na primer, azot, ili ima niži Vobeov indeks nego prirodni gas.

[0046] Korišćenjem postupka prema ovom pronalasku, višak električne energije, koji poželjno potiče iz obnovljivih izvora energije, kao što su energija vetra ili fotonaponski paneli, na primer može da se pretvori u oblik koji je moguće skladištiti i smestiti, na primer, u postojećoj infrastrukturi za skladištenje prirodnog gasa.

[0047] Postupak ima visoku efikasnost i može da radi na decentralizovan način u standardizovanim malim postrojenjima, npr. u obliku kompaktnih postrojenja sa konstrukcijom kontejnera. Poželjno, postupak se obavlja u postrojenju sa konstrukcijom kontejnera koje ima integrisanu infrastrukturu, kao što je opisano u WO 2010/028869.

[0048] Pored toga, postupak je moguće izvesti korišćenjem relativno malog broja procesnih koraka, koji su jednostavni i reproducibilni. Kao rezultat, postupak prema ovom pronalasku je moguće izvesti jednostavno i ekonomično.

[0049] Pored toga, izvođenje postupka se ne povezuje sa opasnošću po okruženje ili ljudsko zdravlje, i zato upotreba supstanci ili jedinjenja opasnih po zdravlje koje bi mogle biti povezane sa opasnošću za životnu sredinu, u principu može da se izbegne. Postupak prema ovom pronalasku može da radi čak i bez ikakve emisije.

[0050] Pored toga, ono što je poznato pod nazivom Vobeov indeks moguće je u modifikovanoj zapreminskoj struji gasa koji sadrži metan podesiti na takav način da odgovara vrednosti u standardnom vodu za prirodni gas.

[0051] Pored toga, dragocene hemikalije koje se proizvedu kao prateći proizvodi u ovom postupku mogu da se obezbede koristeći postupak prema ovom pronalasku.

[0052] Postupak prema ovom pronalasku je, pored toga, nezavisno od kvaliteta lokalnog prirodnog gasa, ako se prirodni gas koristi kao zapreminska struja gasa koja sadrži metan.

[0053] Pored toga, korišćenjem električnog napajanja koje nije moguće koristiti u druge svrhe i npr. potiče iz obnovljivih izvora energije, kalorijska vrednost prirodnog gasa može da se poveća proizvodnjom vodonika i etana iz metana, usled čega je manje gasa neophodno za generisanje definisane količine energije iz ovog gasa, u poređenju sa netretiranim prirodnim gasom. Samim tim se može uštedeti na prirodnom gasu.

[0054] U poređenju sa kombinacijom elektrolitičkog generisanja vodonika i metanacije, kapitalni troškovi za postupak prema ovom pronalasku su značajno niži.

[0055] Pored toga, postupak prema ovom pronalasku ima znatno manje padove efikasnosti nego metanacija, u odnosu na istu skladištenu energiju. Ovo naročito važi kada ugljen dioksid neophodan za metanaciju nije dostupan iz izduvnih gasova ili postrojenja biogasa u relativno visokoj koncentraciji, već mora da se dobije iz vazduha. Pored toga, metanacija zahteva visoke temperature, pri čemu otpadna toplota proizvedena u metanaciji može da se koristi samo na vrlo složen način, što je obično neekonomično.

[0056] Tretiranje plazmom ili postupak prema ovom pronalasku može - nasuprot postupku metanacije gasne faze - da relativno dobro radi dinamički, što će reći može da bude fleksibilno i promenljivo prilagođen za električno napajanje. Kada se postupak prema ovom pronalasku spoji sa elektrolizom vodonika, proizvodnja mešavine ugljovodonika i vodonika sa višom grejnom vrednošću i Vobeovim indeksom odvija se istovremeno sa proizvodnjom vodonika iz elektrolize. Privremeno skladištenje vodonika samim tim nije neophodno.

Nasuprot tome, u slučaju metanacije koja se poželjno izvodi kontinualno tokom ekonomičnog rada postrojenja, što će reći istovremeno je odvojena od elektrolize, potrebne su opcije za

1

skladištenje vodonika, što generalno takođe zahteva dodatan trošak u smislu aparata i energije za sabijanje vodonika.

[0057] I za elektrolizu i za tretiranje plazmom specifičan potreban kapital je manji nego u slučaju metanacije na visokoj temperaturi. Kao posledica toga, male decentralizovane jedinice, npr. kontejnerske jedinice, koje imaju visok potencijal standardizacije, su jednostavnije za predstavljanje u smislu ekonomičnosti.

[0058] Dalje prednosti u poređenju sa varijantom metanacije vodonika su moguća redukcija emisija, jer udeo vodonika u zapreminskoj struji gasa koja sadrži metan dovodi do smanjenja emisija NOxpri sagorevanju.

[0059] Korišćenjem biogasa kao zapreminske struje gasa koja sadrži metan ili dodavanjem biogasa kao dodatnog gasa, prerada biogasa do neophodnog kvaliteta za napajanje može da se pojednostavi. Biogas je moguće koristiti direktno tretiranjem plazmom ili u kombinaciji sa prirodnim gasom koji je dostupan prema planiranom napajanju, na takav način da obrada postupcima apsorpcije, i/ili membranskim postupcima pre dovođenja u mrežu prirodnog gasa nije više potrebna, ili se barem troškovi obrade jasno snižavaju.

Claims (15)

Patentni zahtevi

1. Postupak za modifikaciju zapreminske struje gasa koja sadrži metan, koji obuhvata sledeće korake:

i) Uzimanje podstruje iz zapreminske struje gasa koja sadrži metan,

ii) Tretiranje podstruje sa električno generisanom plazmom, generisanje smeše modifikovanog gasa koja sadrži niži udeo metana nego zapreminska struja gasa koja sadrži metan i

iii) Vraćanje smeše modifikovanog gasa u zapreminsku struju gasa koja sadrži metan.

2. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što zapreminska struja gasa koja sadrži metan jeste prirodni gas ili biogas.

3. Postupak prema zahtevu 1 ili 2, naznačen time, što smeša modifikovanog gasa ima viši sadržaj vodonika i etana nego podstruja koja je uzeta.

4. Uređaj prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što smeša modifikovanog gasa ima viši sadržaj propana, etena i/ili propena od podstruje koja je uzeta.

5. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što

je u smešu modifikovanog gasa pre vraćanja dodat dodatni gas.

6. Postupak prema zahtevu 5, naznačen time, što dodatni gas sadrži kiseonik, azot, ugljen dioksid, ugljen monoksid i/ili vodonik.

7. Postupak prema zahtevu 5 ili 6, naznačen time, što dodatni gas sadrži vazduh.

8. Postupak prema zahtevu 5 ili 6, naznačen time, što dodatni gas sadrži vodonik iz elektrolize vode.

9. Postupak prema zahtevu 5 ili 6, naznačen time, što zapreminska struja gasa koja sadrži metan jeste prirodni gas i dodatni gas jeste biogas.

10. Postupak prema bilo kom od zahteva 5 do 9, naznačen time, što se Vobeov indeks smeše modifikovanog gasa meri kontinualno ili povremeno i što se količina dodatog dodatnog gasa reguliše izmerenom vrednošću.

11. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što odnos Vobeovog indeksa smeše modifikovanog gasa prema Vobeovom indeksu zapreminske struje gasa koja sadrži metan jeste u opsegu od 0,85:1 do 1:0,85.

12. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što

je najmanje jedna komponenta selektivno odvojena od smeše modifikovanog gasa pre vraćanja.

13. Postupak prema zahtevu 12, naznačen time, što je vodonik, ugljen monoksid, eten, propen i/ili propan selektivno odvojen.

14. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je plazma generisana strujom iz obnovljivih izvora energije.

15. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što

se tretiranje plazmom odvija u zavisnosti od raspoložive struje.

Izdaje i štampa: Zavod za intelektualnu svojinu, Beograd, Kneginje Ljubice 5

1