PL249820B1 - Reaktor do przeprowadzania częściowego rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu oraz sposób częściowego rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu wody w reaktorze - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest reaktor do przeprowadzania rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu oraz sposób rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu w reaktorze, mające zastosowanie zwłaszcza w ciepłownictwie, w domowych, przydomowych lub przemysłowych kotłach grzewczych. Reaktor do przeprowadzania rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu, gdzie woda jest medium grzewczym przy pomocy procesu termolizy, charakteryzuje się tym, że nad palnikiem (9) gazowego nośnika energii znajduje się przewód rurowy (4), który wypełniony jest katalizatorem, którym są drobiny żelazne i który podłączony jest do zewnętrznego źródła wody (2), nadto przewód rurowy (4) reaktora posiada perforację (10) i jest korzystnie zaślepiony. Sposób rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu w reaktorze, w drodze reakcji termolizy, charakteryzuje się tym, że za pomocą palnika (9) gazowego nośnika energii podgrzewa się perforowany żelazny przewód rurowy (4) do temperatury od 600°C do 1000°C, jednakże najkorzystniej do temperatury roboczej powyżej 1000°C, następnie za pomocą zewnętrznego źródła wody (2) doprowadza się pod ciśnieniem od 1 do 3 Bar wodę do przewodu rurowego - reaktor (4) tak, że woda przesącza się przez drobiny żelaznego katalizatora znajdujące się w jej wewnętrzu, w efekcie czego na ściankach drobin katalizatora w rezultacie wysokiej temperatury dochodzi do rozkładu cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu, które to w postaci gazowej są odprowadzane przez perforację (10) przewodu rurowego reaktora (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest reaktor do przeprowadzania częściowego rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu oraz sposób częściowego rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu w reaktorze, mające zastosowanie zwłaszcza w ciepłownictwie, w domowych, przydomowych lub przemysłowych kotłach grzewczych lub innych urządzeniach wykorzystujących jako paliwo węglowodory.

Grupa ukraińskich inżynierów w wyniku długoletnich starań opracowała szereg jednostek wysokotemperaturowych, reaktorów wykorzystujących reakcje termochemiczne, katalityczne i fizyko dynamiczne do częściowego rozkładu cząstek wody na palną mieszaninę wodoru i tlenu, gaz syntezowy.

Rozwiązanie według wynalazku dotyczy reakcji częściowego rozkładu cząstek wody na atomy wodoru i tlenu w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniu, przy udziale katalizujących cząsteczek wysokowęglowego żelaza.

Reaktor ten to system rurowy z wywierconymi otworami, wypełniony katalizatorem, którym są drobiny żelazne wysokowęglanowe, które aktywnie uczestniczą w wydzielaniu wodoru i tlenu. Woda jest doprowadzana do tego pod ciśnieniem do 3 Bar. Reaktor zamontowany jest nad palnikiem, tak by możliwe było jego samozagrzanie za pomocą rzeczonego palnika.

Jak wykazały testy, zainstalowany w domowym kotle gazowym reaktor oszczędza zużycie gazu ziemnego wykorzystywanego jako paliwo o co najmniej 25%.

Wieloletnie eksperymenty i analizy doprowadziły do wniosków, że urządzenie to może być stasowane nie tylko w domowych kotłach gazowych, ale także w przemysłowych kotłach grzewczych, a także w innych urządzeniach energetycznych wykorzystujących węglowodory jako paliwo przy odpowiedniej modyfikacji reaktora, w zależności od celu, konstrukcji i mocy urządzeń, w których reaktor może być używany.

Te urządzenia grzewcze, w szczególności kotły grzewcze, nagrzewnice, z zastosowanym reaktorem według wynalazku oprócz oszczędności zużycia gazu ziemnego charakteryzują się wysoką sprawnością, a ponadto ich zastosowanie znacznie zmniejsza emisje CO2 do atmosfery.

Urządzenie według wynalazku jest łatwe w obsłudze, w porównaniu z innymi technologiami, tanie w montażu, eksploatacji oraz produkcji. Istotną korzyścią jest to, że technologia według wynalazku nie zużywa dużej liczby dodatkowych źródeł energii, takich jak prąd elektryczny, drogie materiały chemiczne, co zwiększa efektywność ekonomiczną urządzania, oraz jest ekologiczne.

Rozwiązanie według wynalazku nadaje się do wykorzystania prawie każdego rodzaju paliwa węglowodorowego, by urządzenie mogło zadziałać istotna jest temperatura spalania, która powinna mieścić się w granicach co najmniej od 600 do 800°C, zastosowanie wysokiego ciśnienia i katalizatora.

Jak powszechnie wiadomo do bezpośredniego termicznego temperaturowego rozkładu na wodę i tlen wymagalna jest wysoka temperatura 2500°C (termoliza bezpośrednia). Jednak rozkład termiczny wody jest możliwy również w niższej temperaturze, jak wykazały badania w zakresie 900-1000°C, a nawet niższej 600-800°C zgodnie z wymogami termochemicznego procesu wytwarzania wodoru z wydajnością 50%. Szybkość reakcji wzrasta wraz ze wzrostem temperatury w dowolnym zakresie jej wzrostu.

Istotnym czynnikiem obok ciśnienia wody od 1 do 3 Bar jest zastosowanie wysokowęglanowych żelaznych drobin katalizujących reakcję, najkorzystniej mieszanka żelaza i żeliwa.

Sprawność urządzenia wedle wynalazku dowodzą testy, wedle których zmniejszano ilość gazu ziemnego podawanego do palnika, w momencie wydzielania się wodoru i tlenu (moment powstania gazu syntezowego), nie zaobserwowano by sprawność kotła spadła, temperatura grzania kotła pozostała na tym samym poziomie, momentami wzrastając, przy ograniczeniu dawkowania gazu ziemnego.

Z literatury patentowej, z polskiego opisu wynalazku P.430368 znany jest „Wodorowy reaktor dośrodkowy”, w którym jest zastosowana woda, jako medium grzewcze przy pomocy procesu termolizy. W niniejszym rozwiązaniu korpus jest równocześnie pierwszą komorą intensywnego parowania wody. Chemiczna dekompozycja wody stosowana jest w celu pozyskania wodoru jako paliwa piecowego. Istotną różnicą jest tu wykorzystanie zjawiska pirolizy materiałów węglowodorowych takich jak węgiel kamienny, węgiel brunatny, biomasy. Płomień palących się gazów skierowany jest pionowo w kierunku do dołu. W reaktorze tym wykorzystane są dwa zjawiska termolizy i pirolizy jednocześnie. Termolizy dokonuje się przy pomocy tzw. zwężki Venturiego.

Celem rozwiązania wedle wynalazku jest opracowanie reaktora wodorowego, do przeprowadzania reakcji rozdzielania cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu, w drodze reakcji temperaturowej, mającej zastosowanie w urządzeniach mechanicznych i grzewczych, wykorzystujących paliwa gazowe, poprzez współspalanie. Konstrukcja i budowa urządzenia charakteryzującego się prostotą, łatwością obsługi, ekonomicznością i efektywnością. Urządzenie umożliwia zredukowanie zużycia gazu ziemnego niezbędnego do wytwarzania ciepła, oraz redukuje emisję gazów powstałych w procesie spalania gazów.

W rozwiązaniu według wynalazku rozdzielania cząsteczek wody H2O na atomy wodoru i tlenu mieszaniny wodoru H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas) uzyskuje się za pomocą procesów termochemicznych, katalitycznych oraz efektów fizyko dynamicznych mających zastosowanie w urządzeniach wykorzystujących węglowodory jako paliwo, poprzez współspalanie węglowodorów i mieszaniny wodoru H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas) w celu poprawy sprawności urządzenia wykorzystującego węglowodory jako paliwo.

Reaktor do przeprowadzania rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu, gdzie woda jest medium grzewczym przy pomocy reakcji termochemicznych, katalitycznych i fizyczno-dynamicznych, charakteryzuje się tym, że nad palnikiem gazowego nośnika energii znajduje się przewód rurowy, który wypełniony jest katalizatorem, którym są drobiny żelazne, i który podłączony jest do zewnętrznego źródła wody, nadto przewód rurowy reaktora posiada perforację i jest korzystnie zaślepiony.

Korzystnie, przewód rurowy reaktora to żelazna wężownica, zaś perforacja to otwory o średnicy od 0,5 do 7 mm, ustawione kątowo, tak że oś strumienia gazu jest najkorzystniej prostopadła lub równoległa do palnika.

Korzystnie, przewód rurowy oraz kończąca go odcinkowa perforacja wypełnione są katalizatorem, którym są drobiny żelazne o regularnym lub nieregularnym kształcie, śruciny lub bryłki o nierównomiernych ściankach, wykonane ze stopu wysokowęglowego żelaza, żeliwa o wielkości równej lub nie większej niż 8 mm, najkorzystniej od 3,5 do 8 mm.

Korzystnie, że perforacja to rząd otworów usytuowanych liniowo na pobocznicy rurowego przewodu, mocowanego pionowo lub wzdłużnie względem poziomego palnika.

Sposób rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu w reaktorze, poprzez reakcje termochemiczne, katalityczne i fizyczno-dynamiczne, znamienny tym, że za pomocą palnika gazowego nośnika energii podgrzewa się perforowany żelazny przewód rurowy reaktora do temperatury od 600 do 1000°C, jednakże najkorzystniej do temperatury roboczej powyżej 1000°C, następnie za pomocą zewnętrznego źródła wody doprowadza się pod ciśnieniem od 1 do 3 Bar wodę do przewodu rurowego reaktora tak że woda przesącza się przez drobiny żelaznego katalizatora znajdujące się w jej wewnętrzu, w efekcie czego na ściankach drobin katalizatora w rezultacie wysokiej temperatury dochodzi do rozkładu cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu, które to w postaci gazowej są odprowadzane przez perforację przewodu rurowego reaktora.

Korzystnie, mieszaninę wodoru i tlenu spala się za pomocą palnika.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na załączonym rysunku, na którym Fig. 1 przedstawiono schemat kotła grzewczego z reaktorem w postaci pionowej dyszy, zaś Fig. 2 zaprezentowano budowę kotła gazowego z reaktorem, w postaci poziomej dyszy.

Przykład 1

Reaktor do przeprowadzania rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu, gdzie woda jest medium grzewczym przy pomocy procesu termolizy, charakteryzuje się tym, że nad palnikiem 9 gazowego nośnika energii znajduje się żelazny przewód rurowy 4 tworzący reaktor, który wypełniony jest katalizatorem, którym są drobiny żelazne, i który podłączony jest do zewnętrznego źródła wody 2, przewód rurowy 4 zakończony jest odcinkową perforacją 10 wykonaną na jego pobocznicy. Koniec przewodu rurowego 4 jest zaślepiony, zakorkowany. Przewód rurowy 4 reaktora - to wężownica, zaś perforacja 10 to otwory o średnicy od 0,5 do 3 mm, najkorzystniej 1 mm, ustawione kątowo, tak że oś strumienia gazu jest prostopadła do palnika 9 lub w innym przykładzie wykonania równoległa do palnika 9. Perforacja dyszy 10 to rząd otworów usytuowanych liniowo, w równych odstępach od siebie na pobocznicy rurowego przewodu 4, na jego odcinku o długości równej długości palnika 9. Odcinek ten mocowany jest pionowo lub wzdłużnie względem poziomego palnika 9 oraz przewodu rurowego 4. Przewód rurowy 4, wężownica oraz kończąca go perforacja 10 wypełnione są katalizatorem, którym są drobiny żelazne o regularnym lub nieregularnym kształcie, śruciny lub bryłki o nierównomiernych ściankach, wykonane ze stopu wysokowęglowego żelaza, żeliwa o wielkości równej lub nie większej niż 8 mm.

Kocioł gazowy z reaktorem zaopatrzony jest w niezależną instalację głównego wymiennika ciepła z wejściem rurowym połączonym pompą obiegową ze zbiornikiem wyrównawczym, oraz przewodami rurowymi obiegu czynnika, z zaworem bezpieczeństwa oraz zaworem trójdrożnym obiegu czynnika w instalacji ciepłowniczej i pompą obiegową. Pod wymiennikiem ciepła zamontowany jest reaktor o wspomnianej powyżej budowie, podłączony do instalacji wodociągowej.

Pod reaktorem zamontowane są palniki gazu ziemnego z zaworem gazu.

Zawór gazu, zawór bezpieczeństwa oraz zawór trójdrożny i pompa obiegowa podłączone są do sterującego zespołu elektronicznego w postaci tablicy elektronicznej z wyświetlaczem.

Gazowy kocioł grzewczy wyposażony w obudowę wewnętrzną, na samym dnie której zamontowany jest palnik 9 gazowego nośnika energii - gazu ziemnego. Nad palnikiem 9 gazowego nośnika energii - gazu ziemnego, wzdłuż obwodu komory spalania kotła, w jej górnej części umieszczony jest układ rur - reaktor, przewód rurowy 4 w kilku zwojach (cewka w zależności od konstrukcji pieca), wypełniony katalizatorem, którym są cząsteczki żelaza wysokowęglowego, aktywnie biorące udział w uwalnianiu wodoru i tlenu - mieszanina wodoru H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas), z otworami o określonej średnicy (od 0,5 do 3 mm dla kotłów gazowych o mocy do 24 kW) umieszczonych w ostatnim elemencie tego rurociągu, pod odpowiednim kątem do pionu reaktora. Otwory na ostatnim elemencie rurociągu reaktora służą jako dysze (wtryskiwacze, palniki) do wyrzucania mieszaniny wodoru H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas) z reaktora i są kierowane na przeciwległy element wężownicy tego rurociągu - reaktora w celu samozagrzania Reaktora oraz dogrzania wymiennika ciepła kotła. Reaktor, przewód rurowy 4 z perforacją 10 podłączony jest do zewnętrznego źródła wody wyposażonego w wodomierz 2 rejestrujący jej przepływ.

Układ rur reaktora, przewód rurowy 4 to serpentyna wypełniona katalizatorem, którym są cząstki żelaza o regularnym lub nieregularnym kształcie, śrut lub kawałki o nierównych ściankach, wykonane z wysokowęglowego stopu żelaza, żeliwa o wielkości ok. 8 mm każda, jeżeli układ rur reaktora wykonany jest z rur D15.

Gaz do palnika 9 doprowadzany jest standardowym gazociągiem, na którym zainstalowany jest przepływomierz gazu 3. Woda H2O dostarczana jest do instalacji rurowej 4 z konwencjonalnej sieci wodociągowej standardową rurą D15 wyposażoną w wodomierz 2 oraz zawory odcinające - zawór iglicowy wody dokładnej 8. Nad reaktorem, przewodem rurowym 4 znajduje się standardowy wymiennik ciepła kotła 7 oraz standardowy komin 6. Wymiennik ciepła kotła 7 wypełniony jest wodą - nośnikiem ciepła układu grzewczego 5, w kanałach wymiennika ciepła znajdują się czujniki temperatury zasilania i powrotu nośnika ciepła układu grzewczego 1.

Mieszanina wodoru i tlenu H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas) otrzymana w reaktorze, przewodzie rurowym 4 jest zapalana i spalana palnikiem 9 wraz z gazowym węglowodorem - gazem ziemnym. Spaliny odprowadzane są standardowym kominem kotła 6 do atmosfery, natomiast w wyniku reakcji redukcji pozostałości mieszaniny wodoru H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas) zamieniane są w wodę H2O w stanie pary i nie zawierają CO2.

Reakcje otrzymywania mieszaniny wodoru w reaktorze i jej spalania można opisać ogólnym równaniem

3Fe + 4H2O + Q = FesO4 + 4H2 + Q + H2O.

Przykład 2

Sposób rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu w reaktorze, poprzez reakcje termochemiczne, katalityczne i fizyczno-dynamiczne, charakteryzuje się tym, że za pomocą palnika 9 gazowego nośnika energii podgrzewa się perforowany żelazny przewód rurowy 4 do temperatury od 600 do 1000°C, najkorzystniej do temperatury roboczej od 600 do 800°C, lub około 1000°C i wyższej do 1200°C, następnie za pomocą zewnętrznego źródła wody 2 doprowadza się pod ciśnieniem do 3 Bar wodę do przewodu rurowego 4 tak, że woda przesącza się przez drobiny żelaznego katalizatora znajdujące się w jej wewnętrzu, w efekcie czego na ściankach drobin katalizatora, w rezultacie wysokiej temperatury dochodzi do rozkładu cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu, które to w postaci gazowej są odprowadzane przez perforację 10 przewodu rurowego 4. Mieszaninę wodoru i tlenu spala się za pomocą palnika 9.

Metoda częściowego rozkładu wody H2O na atomy wodoru i tlenu H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas) w reaktorze poprzez reakcje termochemiczne, katalityczne i fizyczno-dynamiczne charakteryzuje się tym, że system rurociągów reaktora 4 jest podgrzewany do temperatury od 600 do 800°C (najlepiej do temperatury powyżej 1000°C), następnie za pomocą zewnętrznego źródła wody H2O pod ciśnieniem do 3 Barów (zwykłe dla domowych instalacji wodociągowych) ) wprowadza się do układu rurowego reaktora 4 tak, że woda H2O pod wpływem reakcji termochemicznych, katalitycznych i fizykodynamicznych przechodzi w stan pary i wchodzi w reakcję katalityczną z cząstkami o wysokowęglowy katalizator żelazowy umieszczony w systemie rur reaktora, w efekcie część cząsteczek wody H2O rozkłada się na atomy wodoru i tlenu, tworząc mieszaninę wodoru H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas), które są usuwane w postaci gazowej przez perforację 10 (dysze, palniki) ostatniego elementu rurociąg reaktora 4.

Mieszanina wodoru i tlenu H2 + O otrzymana w reaktorze 4 (gaz syntezowy, synthesegas) jest zapalana i spalana palnikiem 9 razem z węglowodorem. Spaliny odprowadzane są standardowym kominem kotła 6 do atmosfery, natomiast w wyniku reakcji redukcji pozostałości mieszaniny wodoru H2 + O (gaz syntezowy, synthesegas) zamieniane są w wodę H2O W stanie pary i nie zawierają CO2.

Reakcje otrzymywania mieszaniny wodoru w reaktorze i jej spalania można opisać ogólnym równaniem

3Fe + 4H2O + Q = Fe2O4 + 4H2 + Q + H2O.

Claims (6)

1. Reaktor do przeprowadzania rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu, gdzie woda jest medium grzewczym przy pomocy reakcji termochemicznych, katalitycznych i fizyczno-dynamicznych, znamienny tym, że nad palnikiem (9) gazowego nośnika energii znajduje się przewód rurowy (4), który wypełniony jest katalizatorem, którym są drobiny żelazne, i który podłączony jest do zewnętrznego źródła wody (2), nadto przewód rurowy (4) reaktora posiada perforację (10) i jest korzystnie zaślepiony.

2. Reaktor, według zastrz. 1, znamienny tym, że przewód rurowy (4) reaktora to żelazna wężownica, zaś perforacja (10) to otwory o średnicy od 0,5 do 7 mm, ustawione kątowo, tak że oś strumienia gazu jest najkorzystniej prostopadła lub równoległa do palnika (9).

3. Reaktor, według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że przewód rurowy (4) oraz kończąca go odcinkowa perforacja (10) wypełnione są katalizatorem, którym są drobiny żelazne o regularnym lub nieregularnym kształcie, śruciny lub bryłki o nierównomiernych ściankach, wykonane z ze stopu wysokowęglowego żelaza, żeliwa o wielkości równej lub nie większej niż 8 mm, najkorzystniej od 3,5 do 8 mm.

4. Reaktor, według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że perforacja (10) to rząd otworów usytuowanych liniowo na pobocznicy rurowego przewodu, mocowanego pionowo lub wzdłużnie względem poziomego palnika (9).

5. Sposób rozkładu wody na atomy wodoru i tlenu w reaktorze, poprzez reakcje termochemiczne, katalityczne i fizyczno-dynamiczne, znamienny tym, że za pomocą palnika (9) gazowego nośnika energii podgrzewa się perforowany żelazny przewód rurowy (4) reaktora do temperatury od 600 do 1000°C, jednakże najkorzystniej do temperatury roboczej powyżej 1000°C, następnie za pomocą zewnętrznego źródła wody (2) doprowadza się pod ciśnieniem od 1 do 3 Bar wodę do przewodu rurowego(4) reaktora tak że woda przesącza się przez drobiny żelaznego katalizatora znajdujące się w jej wewnętrzu, w efekcie czego na ściankach drobin katalizatora w rezultacie wysokiej temperatury dochodzi do rozkładu cząsteczek wody na atomy wodoru i tlenu, które to w postaci gazowej są odprowadzane przez perforację (10) przewodu rurowego (4) reaktora.

6. Sposób, według zastrz. 5, znamienny tym, że mieszaninę wodoru i tlenu spala się za pomocą palnika (9).