Установка для получения водорода термохимическим разложением воды

 

Изобретение относится к химической технологии и энергетики, в частности к оборудованию для реализации способов получения водорода термохимическим разложением воды, и позволяет инренсифицировать процесс получения водорода и повысить его производительность, снизить его энергоемкость, создать экологически чистую технологию, а также расширить функциональные возможности установки при упрощении ее технологию, а также расширить функциональные возможности установки при упрощении ее технологической схемы. Установка содержит установленные в соответствии с технологической схемой процесса бункеры для металла и углерода, емкости с водой и угарным газом, теплогенератор и соединенные с теплогенератором реактор окисления и реактор восстановления, связанные между собой транспортной системой, причем реактор восстановления выполнен из двух отдельных реакторов восстановления соответственно окиси и закиси металла, где реактор восстановления окиси металла построен по принципу реактора виброкипящего слоя, а реактор восстановления закиси металла снабжен встроенным в общую транспортную цепь спиральным вибрирующим лотком с тепловодом в виде тепловой трубки, находящейся в непосредственном тепловом контакте с теплоносителем теплового аккумулятора, в корпус которого вмонтирована обмотка электромагнитного индуктора, питаемого от генератора тока высокой частоты. Резервуар-хранилище готового продукта-водорода заполнен материалом вакуумного химического поглотителя водорода, в качестве которого взят коллоидный палладий. 3 з. п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к химической технологии и энергетике, в частности к оборудованию для реализации способов получения водорода термохимическим разложением воды, и может быть использовано, например, для обеспечения высококалорийным топливом силовых установок, работающих на жидком и газообразном топливе на судах надводного и подводного флота большого водоизмещения, ледоколов, тепловых электростанций и непосредственно в химической промышленности для получения водорода в больших количествах. Цель изобретения повышение интенсификации процесса разложения воды и производительности установки, повышение надежности и исключение пожароопасности, снижение его энергоемкости процесса, создание экологически чистой технологии, а также расширение функциональных возможностей установки при упрощении ее технологической схемы. На фиг. 1 представлена принципиальная схема установки; на фиг. 2 изображен реактор восстановления окиси металла угарным газом; на фиг. 3 представлен реактор восстановления закиси металла до элементарного металла, разрез; на фиг. 4 изображен спиральный желобообразный лоток с тепловым аккумулятором; на фиг. 5 представлен тепловой аккумулятор с нижней частью спирального лотка, разрез; на фиг. 6 и 7 представлены соответственно верхняя и средняя секции спирального лотка; на фиг. 8-9 изображена переходная трубка, соединяющая две соседние секции спирального лотка, разрез; на фиг. 9 представлен резервуар-хранилище для основного готового продукта-водорода, разрез. Установка для получения водорода термохимическим разложением воды представляет собой установленные в соответствии с технологической схемой процесса бункер 1 для порошкообразного металла, бункер 2 с порошкообразным углеродом (графитом), емкость 3 для воды, емкость 4 для угарного газа, реактор 5 окисления металла, реактор 6 восстановления окиси металла угарным газом, реактор 7 восстановления закиси металла твердым углеродом до элементарного металла, резервуар-хранилище 8 водорода, холодильник 9 для охлаждения водорода, теплоприемник-утилизатор 10, компрессор 11, холодильник 12 для охлаждения углекислого газа, теплогенератор, состоящий из генератора токов высокой частоты 13 с подключенным к нему электромагнитным индуктором, обмотка 14 которого встроена в корпус 15 теплового аккумулятора. Бункер 1 для порошкообразного металла, бункер 2, реактор 5 окисления металла и реакторы 6 и 7 восстановления окиси и закиси металла объединены общей транспортной системой 16, выполненной преимущественно на всех участках как прямой, так и обратной ветви в виде трубопроводов-магистралей: соединения бункера 1 с реактором 5 трубопроводом 17, соединения реактора 5 с реактором 6 трубопроводом 18, соединения реактора 6 с реактором 7 трубопроводом 19 и соединения реактора 7 с бункером 1 трубопроводом 20 обратной ветви транспортной системы, и содержащей встроенные в трубопроводы, например, шнеки соответственно 21, 22, 23, а также шнек 24, который встроен в трубопровод 25, соединяющий бункер 2 с реактором 7. Установка содержит также систему магистралей (трубопроводов) для транспортирования жидких и газообразных агентов с запорно-регулирующей арматурой, а именно: емкость для воды 3 через трубопровод 26 со встроенным насосом 27 и вентилем 28 связана с теплоприемником-утилизатором 10, который трубопроводом 29 связан с реактором 7, который в свою очередь трубопроводом 30 связан с реактором 5. Реактор 5 окисления металла подсоединен трубопроводом 31 через холодильник 9 для охлаждения водорода и трубопровод 32 к резервуару-хранилищу 6 водорода и далее через вентиль 33 может быть подключен к потребителю. В корпус реактора 6 для восстановления окиси металла встроена на пружинных подвесках 34 с возможностью вертикальных колебаний относительно корпуса реактора вертикальная колонна 35, кинематически связанная с вибратором 36, частично заполненная в нижней части порошком окиси металла и имеющая в нижней части сетчатое дно 37 и входной 38 и смещенный, например, вверх по высоте колонны 35 (на фиг. не показано) выходной 39 каналы в боковых стенках вертикальной колонны, соединенные упруго (с возможностью вертикальных колебаний колонны без нарушения герметичности стыков 40) с подводящей 18 и отводящей 19 ветвями трубы транспортной системы с образованием сквозного транспортного потока. Корпус реактора 6 трубопроводом 41 через понижающий редуктор 42 и запорный вентиль 43 подсоединен к емкости 4 для угарного газа, а вертикальная колонна в верхней части своей внутренней полостью через трубопровод 44 через вентиль 45 подсоединена к теплоприемнику утилизатору 10 и далее через компрессор 11 и запорные вентили 46 как к потребителю углекислого газа через холодильник 12, так и к резервуару-хранилищу 8 водорода соответственно с помощью трубопроводов 47 и 48. Реактор 7 для восстановления закиси металла до элементарного металла выполнен в виде встроенных одна в другую двух кольцеобразных, колонны 49 и 50, где внутренняя колонна 49 связана с трубопроводом 25 подачи порошкообразного углерода из бункера 2 и снабжена установленной на пружинных подвесках 51 рамой 52, связанной кинематически с вибратором 53 вертикальных колебаний рамы 52 и несущей спиральный транспортирующий желобообразный лоток 54, встроенный в общую транспортную систему 16 на участке восстановления закиси металла технологической цепи, а внешняя колонна 50 выполнена с двойными стенками 55 и 56 с междустеночной полостью 57, заполненной водяным паром и связанной входным окном с трубопроводом 29 подвода водяного парa от теплоприемника утилизатора 10, а выходным окном с трубопроводом 30 подвода водяного перегретого пара с реактором 5 окисления металла, причем спиральный лоток 54 выполнен с двойными стенками, обложенными изнутри пористой металлокерамической обкладкой 58 с выполненными на ее поверхности капиллярными пазами 59, где образованное стенками междустеночное пространство 60 лотка 54 в нижней его части выполнено в виде емкости теплоприемника 61, заполненной жидким теплоносителем 62 и имеющей непосредственный тепловой контакт (за счет, например, погружения) с теплоносителем 63 теплогенератора, а именно теплового аккумулятора 15, заполненного теплоносителем аккумулирующим веществом 63 с температурой кристаллизации выше чем температура кипения жидкого теплоносителя 62 лотка. Внутренняя полость внутренней колонны 49 (см. фиг. 3) в верхней части соединена трубопроводом 64 через циклон 65 с внутренней полостью реактора 6 восстановления окиси металла. Спиральный желобообразный лоток 54 может быть выполнен из нескольких по длине секций, связанных между собой переходными трубками 66 с двойными стенками 67 и 68 с компенсационным запасом жидкого теплоносителя 62 в междустеночном пространстве 69 трубки, а внутри трубки (в ее внутренней полости 70) размещены стыкуемые концы 71 секций лотка 54, причем междустеночное пространство 69 трубки 66 связано каналами 72 с междустеночным пространством 60 той секции лотка 54, в нижней части которой эта трубка закреплена. Резервуар-хранилище 8 основного готового продукта водорода выполнено в виде смонтированных друг в друга кольцеобразных корпусов 73 и 74, междустеночное пространство 75 которых через вентили 76 и 77 соединено соответственно с трубопроводом подвода 48 углекислого газа и трубопроводом отвода 78 углекислого газа в холодильник 12. Внутренняя полость 79 внутреннего кольцеобразного корпуса 74 содержит материал вакуумного химического поглотителя 80 водорода и соединена через вентили 81 и 33 соответственно с выходом холодильника 9 и трубопроводом 32 выдачи водорода потребителю. Реактор 7 восстановления закиси металла до элементарного металла снабжен также дополнительным резервуаром-хранилищем 83 водорода, выполненным также по принципу вакуумного поглотителя водорода и соединенного с вакуумным пространством 83 между двумя торообразными колоннами реактора 7. Внутренняя полость дополнительного резервуара-хранилища 82 водорода также заполнена материалом вакуумного химического поглотителя 80 водорода, а в стенку корпуса этого резервуара встроена электроспираль 84, соединенная с источником тока (на фигурах не показана). Для охлаждения корпуса 15, а следовательно, обмотки 14 электромагнитного индуктора в корпус 15 встроена спиральная трубка 85, подключенная к насосу 27, питающему водой через трубопроводы 86-87, 88-89 холодильники 9 и 12. По центру корпуса лотка 54 проходят желобообразный стержень 90, выполненный из металлокерамического пористого материала и имеющий на поверхности капиллярные пазы. Установка работает следующим образом. При реализации метода термохимического разложения воды по принципу железо-парового цикла окисление порошка железа водяным паром до магнитной окиси железа с последующим восстановлением магнитной окиси железа до закиси железа угарным газом, а затем окиси железа порошкообразным углеродом (графитом) до элементарного железа с возвратом его на стадии окисления процесс идет на основе следующих химических реакций: 4H₂O+ 3Fe __→ Fe₃O₄+4H₂ Fe₃O₄+CO __→ 3FeO+CO₂ FeO+C __→ Fe+CO Порошкообразное железо из бункера 1, например, шнеком 21 по трубопроводу 17 поступает в реакционную камеру реактора 5 (например, с помощью эжектора не показан на чертеже), куда подводится по трубопроводу 30 перегретый водяной пар. Порошкообразное железо при 550^оС в реакционной камере реактора 5, которая может быть выполнена так же как и в прототипе, реагирует с перегретым водяным паром по реакции 1 4H₂O+ 3Fe __→ Fe₃O₄+4H₂ пар диссоциирует на водород и кислород, а железо (Fe) окисляется до магнитной окиси (Fe₃O₄), причем водород из реактора 5 по трубопроводу 31, предварительно охладившись в холодильнике 9, поступает через вентиль 81 в резервуар-хранилище 8, работающего по принципу вакуумного химического поглотителя водорода с использованием свойств, например, коллоидного палладия, или через вентиль 33 по трубопроводу к потребителю. Получившаяся магнитная окись железа (Fe₃O₄) из реакционной камеры реактора 5, например, шнеком 22, по трубопроводу 18 общей транспортной системы 16 подается в реактор 6 с виброкипящим слоем окиси железа (Fe₃O₄), где она восстанавливается при температуре 1050^оС угарным газом (СО) до закиси железа (FeO), по реакции 2 Fe₃O₄+CO __→ 3FeO+CO₂ Магнитная окись железа (Fe₃O₄), движущаяся по многослойному гибкому трубопроводу 18, поступает в реактор 6 через входной канал 38 в вертикальную колонну 35 в ее нижней части, частично заполненную порошкообразной магнитной окисью железа (Fe₃O₄). Так как колонна 35 колеблется от вибратора 36 относительно корпуса реактора 6 с частотой порядка 50 Гц в вертикальной плоскости, при подаче в корпус реактора из реактора 7 по трубопроводу 64 и от емкости 4 через понижающий редуктор 42 и запорный вентиль 43 по трубопроводу 41 угарного газа (СО), который засасывается через сетчатое днище вертикальной колонны 35 в ее нижней части, и в колонне порошкообразная окись железа приходит в виброкипящее состояние. Механизм этого явления заключается в следующем. Когда некоторый слой магнитной окиси железа (Fe₃O₄) лежит на сетке 37 вертикальной трубы-колонны 35, и сетка 37 совершает вместе с колонной 35 вертикальные колебания с частотой, например, 50 Гц и амплитудой 1-2 мм, то при движении сетки из крайнего верхнего положения вместе с колонной вниз, слой порошкообразного окисла железа (Fe₃O₄) еще продолжает двигаться по инерции вверх, толкая вверх и сжимая газ над собой. Под слоем окиси железа (Fe₃O₄) образуется зона разряжения, в нее снизу через сетку засасывается очередная порция угарного газа (СО), которая при 1050^оС восстанавливает окись железа (Fe₃O₄) до закиси железа (FeO) и при этом выделяется углекислый газ (СО₂), который собирается в верхней части колонны 35 и через трубопровод 44 и вентиль 45 подается в теплоприемник-утилизатор 10. Восстановившаяся закись железа из реактора 6 через выходное окно-канал 39 в боковой стенке колонны 35 по трубопроводу 19 подается в реактор 7 восстановления закиси железа (FeO) до элементарного железа (Fe) при 1100^оС в присутствии порошкообразного углерода (С), который поступает в реактор 7 из бункера 2 по трубопроводу 25, например, шнеком 24. Восстановление закиси железа (FeO) твердым углеродом (С) до элементарного железа при 11000^оС идет по реакции 3. FeO+C __→ Fe+CO Выделяющийся в процессе реакции восстановления угарный газ (СО) из реактора 7 по трубопроводу 64 поступает в циклон 65, предназначенный для очистки газа от механических примесей, а из циклона 65 поступает в нижнюю часть реактора 6 для восстановления магнитной окиси железа (Fe₃O₄) до закиси железа. Подводимые к реактору 7 порошкообразные окислы железа (FeO) по трубопроводу 19 подаются во- внутрь кольцеобразного корпуса колонны 49 непосредственно к спиральному желобообразному лотку 54 в верхней его части, куда одновременно по трубопроводу 25 с помощью, например, шнека 24 из бункера 2 подводится порошкообразный твердый углерод-графит. Закись железа совместно с порошком графита по лотку 54, приводимого в вертикальные колебания, например, с частотой 50 Гц от вибратора 53, движется вниз и в условиях непрерывного движения и виброперемешивания происходит при 1100^оС восстановление закиси железа (FeO) до элементарного железа (Fe) с образованием в реакторе 7 угарного газа. Восстановление закиси железа (FeO) до железа (Fe) идет непосредственно на горячей поверхности спирального лотка 54, снабженного тепловодом, работа которого построена по принципу "тепловой трубки". Температурный режим в реакторе 7 обеспечивается следующим образом: При подключении обмотки 14 электромагнитного индуктора к генератору токов высокой частоты 13 (f 15 кГц) вокруг проводника обмотки создается периодически меняющееся магнитное поле с частотой, равной частоте пропускаемого по обмотке тока, которое приводит к индуцированию в теплоносителе теплового аккумулятора 15 электрического тока (или в корпусе теплового аккумулятора), приводя к разогреву теплоносителя-аккумулирующего вещества 63, в качестве которого может быть использован, например: для обеспечения температур выше 1000^оС окислы бериллия, магния, алюминия, кремния, их соединения и эвтектика, а также селициды и бориды некоторых металлов, работающих при высоких температурах;
в диапазоне температур 490-890^оС эвтектические смеси фторидов натрия, магния, кальция, лития, а также гидрид лития;
в диапазоне температур плавления и испарения от комнатных до 100^оС некоторые кристаллогидраты. Необходимым условием выбора аккумулирующего вещества теплоносителя теплового аккумулятора и вещества теплоносителя 62 тепловода спирального лотка 54 является требование, чтобы аккумулирующее вещество теплового аккумулятора имело температуру кристаллизации выше, чем температура кипения рабочей жидкости 62, находящейся в емкости-теплоприемнике 61 нижней секции лотка. В качестве рабочих жидкостей-теплоносителей секций тепловодов спирального лотка 54 могут быть использованы самые разнообразные вещества: вода, ментол, ацетон, неорганические соли, расплав цезия, калия, натрия, лития, свинца и другие. В процессе нагрева аккумулирующее вещество в тепловом аккумуляторе будет аккумулировать тепловую энергию и в конце концов расплавится. Находящийся в нижней емкости-теплоприемнике 61 спирального лотка 54 рабочая жидкость, нагреваясь от аккумулирующего вещества 63 теплового аккумулятора моментально закипает и в виде пара переносит тепло из зоны нагрева (теплового аккумулятора) к более холодным стенкам верхней части секции спирального лотка под действием разности давлений, отдавая тепло более холодным стенкам лотка 54, конденсируясь и по капиллярным пазам 59 возвращаясь в зону испарения. Тепло нижней секции лотка 54 передается средней секции через переходные трубопроводы 66 с компенсационным запасом жидкого теплоносителя 62, который при нагреве, закипая и испарясь за счет разности давлений, переносит тепло к верхним частям средней секции лотка, передавая тепло нижней секции через среднюю секцию и переходную трубку 66, соединяющую верхний конец средней секции с нижним концом верхней секции, в свою очередь, верхней секции лотка 54, в результате чего поверхность всего спирального лотка приобретает температуру, необходимую для интенсивного восстановления закиси железа (FeO) до элементарного железа (Fe), причем эта температура будет лимитироваться только температурой кипения и конденсации рабочей жидкости-теплоносителя 62, являющейся переносчиком тепла в желобообразном спиральном лотке 54 (во всех его секциях). Восстановленное в реакторе 7 чистое железо по трубопроводу 20 с помощью скипового подъемника 23 возвращается в бункер 1 для использования его в реакции окисления в реакторе 5, а выделившийся в процессе реакции восстановления закиси железа в реакторе 7 угарный газ, имеющий температуру приблизительно 1100^оС, выводится через канал 64 из реактора 7 и по трубопроводу 64 через циклон 65, где происходит очистка его от механических примесей, подается в реактор 6 для участия в реакции восстановления магнитной окиси железа. Необходимый для осуществления термохимического процесса разложения воды водяной пар, перегретый до 550^оС, в установке получают посредством прокачки используемой для ведения процесса воды из емкости 3 насосом 27 сначала через теплоприемник-утилизатор 10, где вода нагревается до 100^оС, переходя в пар, за счет тепла отбираемого от пропускаемого для охлаждения через теплоприемник-утилизатор 10 углекислого газа (СО₂), образующегося в реакторе 6 при восстановлении магнитной окиси железа (Fe₃O₄) и имеющего температуру около 1000^оС, а также за счет перегрева в реакторе 7 при прохождении им в междустеночном пространстве внешней колонны 50 реактора. Водяной пар, поступающий из теплоприемника-утилизатора 10 по трубопроводу 29 через входной канал в междустеночное пространство 57, нагревается в нем до 550^оС и через выходной канал и трубопровод 30 и эжектор поступает в реактор окислитель 5. В свою очередь, углекислый газ, охладившись до 100^оС в теплоприемнике-утилизаторе 10, с помощью компрессора 11 подается либо в холодильник 12 (с помощью вентиля 46) и далее к потребителю, либо через вентиль 76 и трубопровод 48 в междустеночное пространство 75 резервуара-хранилища 8 водорода, откуда через трубопровод отводится также в холодильник 12 через вентиль 77. Резервуар-хранилище 8 водорода, как сказано выше, представляет собой две смонтированные одна в другой вертикальные кольцеобразные колонны, во внутренней из которых откачен воздух и помещен коллоидный палладий 80. Коллоидный палладий обладает свойством при комнатной температуре в вакууме поглощать водород до 3000 объемов на один объем и снова выделять его полностью при 100^оС. Поступающий из реактора 5 в хранилище 8 водород при комнатной температуре адсорбируется коллоидным палладием и в таком виде хранится в резервуаре-хранилище 8 до тех пор, пока в междустеночное пространство 75 не будет подан углекислый газ, нагретый до 100^оС, который нагреет насыщенный водородом коллоидный палладий и обеспечит полное выделение водорода с последующей выдачей его через вентиль 33 потребителю. Нагревание коллоидного палладия, насыщенного водородом, инертным газом (углекислым газом) абсолютно безопасно, при малейшей утечке водорода температура и давление понизятся мгновенно и утечка сама собой прекратится. Возможность взрыва при нагреве коллоидного палладия, насыщенного водородом, инертным газом исключает взрыв. Помимо безопасности, подобное выполнение хранилища водорода обеспечивает решение проблемы его транспорта, ибо коллоидный палладий позволяет ровно в четыре раза снизить объем, необходимый для хранения водорода по сравнению со стальной баллонной тарой высокого давления. После расплавления аккумулирующего вещества 63 теплового аккумулятора 16 электромагнитный индуктор 14 автоматически выключается, и включается как только рабочее аккумулирующее вещество 63, остывая, начнет кристаллизоваться. Таким образом, тепло, выделяемое тепловым аккумулятором 16, во время отключения электромагнитного индуктора идет только за счет скрытого фазового перехода "плавление-кристаллизация" аккумулирующего вещества 63. При испарении рабочей жидкости 62 в теплоприемнике нижней секции лотка 54 пар под действием давления устремится к верхнему концу 77 нижней секции, отдаст тепло более холодным стенкам лотка и переходной трубки 66, конденсируется и в виде жидкости по капиллярным пазам 59, выполненным на внутренней стенке 66, закрепленной на нижнем конце средней секции лотка 54, где также происходит нагрев и испарение находящейся в междустеночном пространстве 69 переходной трубки 66 и в междустеночном пространстве нижней части средней секции лотка 54, связанной каналами 72 с внутренней полостью переходной трубки 66, рабочей жидкости 62, пар которой устремится к верхнему концу средней секции лотка и, конденсируясь на более холодных стенках этой секции лотка и стенках переходной трубки 66, соединяющей среднюю и верхнюю секции лотка 54, отдаст тепло средней и верхней секции лотка. На установившейся горячей поверхности лотка на всем его протяжении будет поддерживаться постоянная температура 1100^оС, что позволяет вести процесс восстановления окислов железа (закиси железа) довольно эффективно, без всяких систем регулирования температуры. Поскольку скрытая теплота парообразования это потенциальная энергия молекул, идущая на разрыв связей между ними (у большинства жидкостей она велика, у воды 539, у натрия 1000, у лития 4700 кал/ч) и при конденсации она выделяется полностью, то тепловой поток в тепловоде лотка 54 может достигнуть огромной величины. Единственный "двигатель" данной простой и надежной, не нуждающейся ни в насосах, ни в посторонних источниках энергии системы капиллярное всасывание и поверхностное натяжение, обусловленное силами притяжения между молекулами. Реактор с подобным тепловодом будет функционировать в любом положении, в любых условиях (в том числе при отсутствии земного тяготения), температура почти всей поверхности тепловода постоянна, а рабочие жидкости, используемые для этой цели, инертны и химически стабильны, не вызывают коррозии и отдают подавляющую часть запасенного в них тепла. Реактор 7 для восстановления закиси железа углеродом снабжен емкостью 82 с коллоидным палладием, которая соединена с вакуумным пространством 83 между внутренней 49 и внешней 50 колоннами, внутренняя поверхность которого для лучшего отражения тепловых лучей хромирована. При подаче электрического тока от источника (на чертеже не показан) на спираль 84, вмонтированную в корпус емкости 82, емкость нагревается и водород, адсорбированный коллоидным палладием, выделяясь, заполняет пространство 83 реактора 7 и, обладая высокой теплопроводимостью, в зависимости от величины нагрева спирали 84 и, следовательно, от количества выделившегося водорода меняет условия теплопередачи от внутренней колонны 49 к внутренней колонне 50, в междустеночном пространстве которой протекает водяной пар, а значит меняет температуру перегрева водяного пара, подаваемого трубопроводом 30 в реактор 5. Таким образом производится управление скоростью реакции окисления железа и выделения водорода в реакторе-окислителе 5. Входящие в систему технологической цепи установки получения водорода холодильники 9 и 12 соответственно для охлаждения водорода и углекислого газа, подаваемую из емкости 3 насосом 27 с помощью трубопроводов 91-92, 93-94, образующих замкнутую систему питания. Пуск установки в начальный момент может быть обеспечен подачей в реактор 7 с включенным теплогенератором угарного газа из емкости 4 через вентиль 43 и трубопровод 64 для его нагрева до температуры, необходимой для ведения реакции восстановления магнитной окиси железа и последующей подачи нагретого угарного газа в обратном направлении из реактора 7 в реактор 6 через циклон 65 и вентиль 43, а также при одновременном получении в реакторе 7 с работающим теплогенератором перегретого водяного пара при прокачке через реактор 7 (его междустеночное пространство 57) воды из емкости 3 с подачей полученного перегретого пара в реактор-окислитель 5. После разогрева установки и подготовки соответствующего теплового режима каждого реактора осуществляют подачу порошкообразного железа в реактор 5 и порошкообразного углерода в реактор 7 и начинают процесс термохимического разложения водяного пара и восстановления используемого в процессе металла. Практически при получении водорода расходуется и требует пополнения только вода и углерод. П р и м е р. Для получения водорода необходимо при ведении процесса термохимического разложения воды металло-паровым методом по реакции 1 подать при 550^оС четыре моля водяного пара (72 ч.) и три моля порошкообразного железа (Fe) 168 г. В результате этой реакции получается семь молей (2-32 ч.) 96,6% окиси железа (Fe₃O₄) и четыре моля водорода (8 ч.) 3,4% по реакции 2; при 1050^оС из одного моля окиси железа (232 ч.) и одного моля окиси углерода (28 ч.) образуется три моля закиси железа (216 ч.) 83% и один моль углекислого газа (44 ч.) 17% который полностью идет потребителю; по реакции 3 при 1100^оС из одного моля закиси железа (72 ч.) и одного моля углерода (12 ч.) образуется один моль железа (48 ч.) 66,7% и один моль окиси углерода (28 ч.) 33,3%
При этом предполагается полностью возврат железа в замкнутый цикл непрерывного процесса получения водорода без значительных потерь. Использование предложенной установки для получения водорода и углекислого газа из воды при ее термохимическом разложении обеспечивает по сравнению с существующими установками для получения водорода следующие преимущества:
термохимический метод получения водорода в шесть раз приблизительно дешевле электролитического способа, получившего наибольшее распространение на практике (причем при оценке предложенной установки получение углекислого газа в экономическую оценку на входит);
производство водорода и углекислого газа можно менять в широком диапазоне от нескольких тысяч кубических метров до десятков миллионов кубических метров водорода в сутки (в зависимости от количества химических ингредиентов и подачи воды в установку). В предложенной установке благодаря конструктивным усовершенствованиям обоих восстановительных реакторов (построение первого восстановительного реактора на принципе виброкипящего действия, а второго с транспортной вибросистемой и тепловодом на базе тепловых трубок) значительно интенсифицируется процесс восстановления окислов железа, занимающий обычно по времени по сравнению с процессом окисления в 6 и более раз больше времени, а следовательно, растет производительность установки. Использование вместо ядерных реакторов для создания соответствующего температурного режима в установке электромагнитного индуктора с предложенным тепловым аккумулятором обеспечивает экологическую чистоту реализуемой в установке технологии и снижение энергоемкости процесса (с переводом его на более низкие температуры), а получение дополнительного готового продукта углекислого газа расширяет функциональные возможности установки и позволяет более рационально использовать выделяющееся в установке тепло (для перегрева водяного пара, обеспечения соответствующего температурного режима в первом реакторе-восстановителе, а также для целей управления работой резервуара-хранилища готового продукта-водорода). Кроме того, использование углекислого газа, нагретого до 100^оС, для управления работой резервуара-хранилища повышает надежность установки и исключает опасность возникновения в нем (резервуаре) взрыва водорода. Предложенная конструкция резервуара-хранилища водорода обеспечивает надежное и удобное с точки зрения транспортировки готового продукта средство его хранения.

Формула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ТЕРМОХИМИЧЕСКИМ РАЗЛОЖЕНИЕМ ВОДЫ металлопаровым методом, содержащая бункеры с порошкообразным металлом и твердым порошкообразным углеродом, емкости с водой и угарным газом, теплогенератор, соединенные с теплогенератором реактор окисления и реактор восстановления, связанные между собой системой транспортирования исходных компонентов, промежуточных продуктов термохимических циклов и готового продукта - водорода с запорно-регулирующей арматурой, отличающаяся тем, что, с целью повышения интенсификации процесса и повышения его производительности, снижения его энергоемкости, реактор восстановления выполнен из двух отдельных емкостей восстановления соответственно окиси и закиси металла, при этом емкость восстановления окиси металла снабжена установленной на пружинных подвесках с возможностью вертикальных колебания относительно корпуса вертикальной колонной, кинематически связанной с вибратором колебаний и имеющая в нижней части сетчатое дно и входное и выходное отверстия - каналы в боковых стенках соединенные упруго с подводящей от реактора окисления и отводящей к реактору восстановления закиси металла ветвями трубы транспортной системы с образованием сквозного транспортного потока, а емкость восстановления закиси металла выполнена в виде встроенных одна в другую двух вертикальных кольцеобразных колонн, внутренняя колонна связана соответствующими окнами с магистралью подачи из бункера порошка углерода и магистралью отвода через сепаратор в емкость восстановления окиси металла угарного газа и снабжена установленной на пружинных подвесках рамой, связанной кинематически с вибратором вертикальных колебаний рамы относительно колонны и несущей спиральный желобообразный лоток, встроенный в общую транспортную систему на участке восстановления закиси металла технологической цепи, а внешняя колонна выполнена с двойными стенками с междустеночной полостью заполненной водяным паром и связанной входным окном с магистралью подвода водяного пара от резервуара-хранилища воды через встроенный в магистраль отвода углекислого газа из реактора восстановления окиси металла к потребителю теплоприемник-утилизатор, а выходным окном - с магистралью подвода водяного пара к емкости окисления металла, при этом спиральный лоток имеет двойные стенки, обложенные изнутри пористой металлокерамической обкладкой с капиллярными пазами на ее поверхности, при этом образованное стенками междустеночное пространство лотка выполнено в виде емкости-теплоприемника, заполненного жидким теплоносителем и имеющей непосредственный тепловой контакт с теплоносителем теплогенератора, выполненного в виде заполненного теплоносителем - аккумулирующим веществом с температурой кристаллизации выше, температуры кипения жидкого теплоносителя лотка, теплового аккумулятора, в корпус которого вмонтирована обмотка электромагнитного индуктора, питаемого от генератора тока высокой частоты. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью повышения интенсификации и производительности, спиральный желобообразный лоток выполнен из нескольких секций по длине лотка, связанных между собой переходными трубками с двойными стенками с жидким теплоносителем в междустеночном пространстве, а внутри трубок размещены стыкуемые концы расположенных ниже секций лотка. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности и исключения пожароопасности, резервуар-хранилище для готового основного подукта - водорода выполнено в виде смонтированных друг в друге кольцеобразных корпусов, междустеночное пространство которых через вентили соединено соответственно с магистралью подвода от теплоприемника-утилизатора углекислого газа и магистралью сброса углекислого газа через холодильник к потребителю, а внутренняя полость внутреннего кольцеобразного корпуса заполнена материалом вакуумного химического поглотителя водорода и соединена через запорные вентили как с потребителем готового продукта, так и с выходом соединенного с реактором оксиления металла холодильника. 4. Установка по пп.1 и 3, отличающаяся тем, что, с целью повышения интенсификации процесса и снижения его энергоемкости, емкость восстановления закиси металла снабжена соединенным с вакуумным пространством емкости, между внутренней и наружной вертикальными кольцообразными колоннами, дополнительным резервуаром-хранилищем водорода, выполненным в виде вакуумного химического поглотителя водорода, в корпус которого встроена электроспираль, соединенная с источником тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 31-2000

Извещение опубликовано: 10.11.2000        

---