PL208450B1 - Sposób i układ do otrzymywania wodoru - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do otrzymywania wodom, wykorzystujący energię odpadową. Termin energia odpadowa jest pojęciem umownym i dotyczy urządzeń, w których w wyniku spalania powstaje strumień gorących spalin o dużej energii kinetycznej, na przykład w silnikach na paliwo ciekłe lub gazowe.

Znany jest sposób otrzymywania wodoru, powszechnie stosowany w przemyśle. Sposób ten realizowany jest poprzez wprowadzenie pary wodnej na rozżarzony do temperatury 1000 - 1200°C koks. Wskutek rozpadu cząsteczki wody powstaje gaz wodny, stanowiący mieszaninę wodoru i tlenku węgla, zgodnie z reakcją:

C + H2O = CO + H2 (1)

Inny znany sposób otrzymywania wodoru polega na wykorzystaniu obiegu żelazowo-parowego. Istotą tego sposobu jest opisany w literaturze fakt, że żelazo w podwyższonej temperaturze reaguje z parą wodną. Reakcja rozpoczyna się już przy 200°C i przebiega w temperaturze tzw. zimnego żarn w sposób nastę pują cy:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 (2)

Sposób i układ według wynalazku wykorzystuje odpadową energię cieplną i kinetyczną spalin gazowego silnika spalinowego, do wytwarzania wodoru poprzez rozkład termiczno-chemiczny wody.

Istota sposobu według wynalazku polega na tym, że mgłę wodną albo parę wodną miesza się z gorącymi spalinami, i część tak uzyskanej przegrzanej pary wodnej poddaje się, na złożu żarzącego się koksu, termiczno-chemicznemu rozkładowi do postaci gazu wodnego, a pozostałą część przegrzanej pary wodnej miesza się z tym gazem wodnym i poddaje się konwersji, poprzez wykorzystanie reakcji żelazowo-parowej.

Układ według wynalazku ma kolektor spalinowy doprowadzony do komory parowej, przylegającej do komory ze złożem koksu, nad którą znajduje się komora mieszania, połączona też bezpośrednio z komorą parową, a nad komorą mieszania umieszczony jest zespół ażurów żelazowych i komora zbierająca wodór.

Korzystna cecha układu według wynalazku polega na tym, że komora parowa ma na spodzie zbiornik wody, w którym częściowo zanurzony jest wirnik, wytwarzający mgłę wodną. Korzystnym jest takie rozwiązanie, w którym wirnik ten napędzany jest energią kinetyczną spalin.

Inna korzystna cecha układu polega na tym, że kolektor spalinowy ma na zewnątrz żaroodporną mufę, która chroni przed nadmiernymi stratami ciepła i nadmiernym nagrzewaniem się układu.

Działanie układu według wynalazku polega na tym, że gorące spaliny mieszają się w komorze parowej z wytworzoną tam mgłą wodną albo parą, tworząc parę nasyconą, która przedostając się przez złoże rozżarzonego koksu zamienia się na gaz wodny i miesza z parą nasyconą doprowadzoną bocznym kanałem z komory parowej, po czym, przepływając przez zespół ażurów żelazowych, wchodzi w reakcję z żelazem, wydzielając wodór, odprowadzany z układu kanałem. Opisane reakcje chemiczne zachodzą zgodnie ze wzorami (1) i (2) przedstawionymi w opisie stanu techniki.

Utlenione żelazo jest regenerowane poprzez redukcję powstających tlenków żelaza gazem wodnym powstającym w reakcji (1). Jest to proces złożony, polegający na redukcji kolejnych form tlenkowych żelaza przy udziale tlenku węgla, który sam ulega utlenieniu do ditlenku według reakcji:

2CO + Fe3O4 = CO2 + 3FeO (3)

FeO + CO = CO2 + Fe (4)

Równolegle tlenek węgla zostaje utleniony do ditlenku węgla zgodnie z reakcją:

CO + H2O + H2 = CO2 + 2H2 (5)

Powstające w trakcie rozkładu wody tlenki żelaza na drugim i trzecim stopniu utlenienia wykazują cechy silnego katalizatora w procesie konwersji gazu wodnego. Do przebiegu procesu konieczne jest dostarczenie energii, której podstawowym źródłem jest przegrzana para wodna oraz żarzący się koks.

W wyniku zachodzących procesów termiczno-chemicznych nastę puje rozkład pary wodnej do postaci wodoru i dwutlenku węgla.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, który pokazuje układ do wytwarzania wodoru.

PL 208 450 B1

Mgłę wodną miesza się z gorącymi spalinami w komorze parowej 2, i część tak uzyskanej przegrzanej pary wodnej poddaje się, na złożu żarzącego się koksu 5, termiczno-chemicznemu rozkładowi do postaci gazu wodnego, a pozostałą część przegrzanej pary wodnej miesza się z tym gazem wodnym i poddaje się konwersji, poprzez wykorzystanie reakcji żelazowo-parowej, na zespole ażurów żelazowych 5. Pozyskiwany wodór gromadzi się w zbiorniku i odprowadza do zbiorników zewnętrznych.

Układ technologiczny do otrzymywania wodoru przy wykorzystaniu energii odpadowej zbudowany jest z czterech węzłów, współdziałających ze sobą.

Węzeł pierwszy służy do wytwarzania pary wodnej przegrzanej przy wykorzystaniu entalpii i energii kinetycznej spalin - składa się on z kolektora spalinowego 1 umieszczonego w żaroodpornej mufie, komory parowej 2, oraz elementów ruchomych i stacjonarnych wykonanych z aluminium, takich jak zbiornik wody, zanurzony w nim częściowo wirnik 3 napędzany energią kinetyczną spalin i umożliwiający efektywny rozbryzg wody oraz profilowane płyty aluminiowe 4 kierujące parę do węzła II.

W wyniku kontaktu gorących spalin z kroplami wody następuje odparowanie wody i przejście do fazy gazowej. Część pary przechodzi do węzła II ze złożem żarzącego się koksu, a część do węzła III wypełnionego zespołem siatek lub ażurów żelazowych 7. Węzeł II służy do termiczno-chemicznego rozkładu pary, która ulega konwersji do gazu wodnego - składa się on z ze złoża koksu 5 i elementów żelaznych 9 przewodzących ciepło do węzła III.

Generowany gaz wodny unosi się do węzła III z zespołem ażurów żelazowych 7, do którego jednocześnie dopływa część pary wodnej bocznym przewodem 6 z węzła I. W węźle III mieszanka gazu wodnego i pary wodnej w wyniku kontaktu z żelazem ulega konwersji zgodnie z reakcjami (2)-(5). Wysoka temperatura ażurowych elementów żelaznych jest skutkiem kontaktu z parą przegrzaną oraz kontaktu z żarzącym się złożem koksu za pomocą elementów żelaznych 9 przenoszących ciepło.

Po przejściu gazu wodnego przez węzeł III i jego konwersji, gaz którego podstawowym składnikiem jest wodór przepływa do węzła IV skąd kierowany jest do wykorzystania.

Węzeł IV ma zbiornik 8 do gromadzenia i odprowadzania pozyskanego wodoru.

Obecnie wodór jest postrzegany jako paliwo przyszłościowe, gdyż jego zastosowanie obniży emisję tzw. gazów cieplarnianych, głównie dwutlenku węgla oraz tlenków siarki i azotu. Wodór jest już wykorzystywany jako paliwo w motoryzacji i stosowany przez niektórych producentów, na przykład: Daimler Benz, SAAB, Mazda czy MAN.

Wynalazek przewidziany jest do zastosowania w bloku energetycznym, na przykład do spalania gazu wysypiskowego. Używane w tym celu tzw. silniki gazowe charakteryzują się określoną sprawnością w stosunku do energii pierwotnej zawartej w spalanym paliwie. Na ogół, w zależności od producenta, całkowita sprawność energetyczna silnika gazowego wynosi 90%, z czego niecałe 40% energii pierwotnej jest przetwarzane w energię elektryczną. Resztę stanowi entalpia spalin, których temperatura w kolektorze wydechowym przekracza 600°C.

Udokumentowana w wyniku badań kontrolnych wartość energii elektrycznej, uzyskanej przy zastosowaniu bloku energetycznego zasilanego gazem ze składowiska w Świnoujściu w ciągu roku wyniosła 1200 MWh. Porównywalna ilość energii zawartej w gorących spalinach o temperaturze 430 - 500°C jest usuwana do atmosfery. Pomierzona szybkość przepływu spalin w kanale dymnym wyniosła

7,2 - 12,95 m/s. Zastosowanie silnika spalinowego powoduje jednocześnie, że ciśnienie dyspozycyjne spalin wynosi około 2 bar, co daje w efekcie wysoką wartość energii kinetycznej przepływających spalin.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób otrzymywania wodoru, w którym wykorzystuje się reakcję termiczno-chemicznego rozpadu pary wodnej na złożu żarzącego się koksu oraz wykorzystuje się reakcję żelazowo-parową, znamienny tym, że mgłę wodną albo parę wodną miesza się z gorącymi spalinami, i część tak uzyskanej przegrzanej pary wodnej poddaje się, na złożu żarzącego się koksu, termiczno-chemicznemu rozkładowi do postaci gazu wodnego, a pozostałą część przegrzanej pary wodnej miesza się z tym gazem wodnym i poddaje się konwersji, poprzez wykorzystanie reakcji żelazowo-parowej.
2. 2. Układ do otrzymywania wodoru z pary wodnej, w którym znajduje się złoże żarzącego się koksu, oraz obieg żelazowo-parowy, znamienny tym, że ma kolektor spalinowy (1) doprowadzony do komory parowej (2), przylegającej do komory ze złożem koksu (5), nad którą znajduje się komora

   PL 208 450 B1 mieszania (6), połączona też bezpośrednio z komorą parową (2), a nad komorą mieszania (6) umieszczony jest zespół ażurów żelazowych (7) i komora zbierająca wodór (8).
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że komora parowa (2) ma na spodzie zbiornik wody, w którym częściowo zanurzony jest wirnik (3), wytwarzający mgłę wodną.
4. 4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że wirnik (3) wytwarzający mgłę wodną, napędzany jest energią kinetyczną spalin.
5. 5. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że kolektor spalinowy (1) ma na zewnątrz żaroodporną mufę.