способ получения водорода и кислорода из воды

Формула изобретения

Способ получения водорода и кислорода из пара воды, включающий пропускание этого пара через электрическое поле, отличающийся тем, что используют перегретый пар воды с температурой 500 - 550^oC, пропускаемый через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения для диссоциации пара и разделения его на атомы водорода и кислорода.

Описание изобретения к патенту

Водород при соединении с кислородом-окислении, занимает первое место по калорийности на 1 кг топлива среди всех горючих используемых для поучения электроэнергии и тепла. Но высокая калорийность водорода до сих пор не используется в получении электроэнергии и тепла и не может конкурировать с углеводородным топливом.

Препятствием для использования водорода в энергетике является дорогой способ его получения, который экономически не оправдывается. Для получения водорода в основном применяются электролизные установки, которые малопроизводительны и энергия, затраченная на получение водорода, равна энергии, полученной от сжигания этого водорода.

Известен способ получения водорода и кислорода из перегретого водяного пара с температурой 1800-2500^oC, описанный в заявке Великобритании N 1489054 (кл. C 01 B 1/03, 1977). Этот способ сложен, энергоемок и трудноосуществим.

Наиболее близким к предложенному является способ получения водорода и кислорода из водяного пара на катализаторе при пропускании этого пара через электрическое поле, описанный в заявке Великобритании N 1585527 (кл. C 01 B 3/04, 1981).

К недостаткам этого способа относятся:

- невозможность получения водорода в больших количествах;

- энергоемкость;

- сложность устройства и использование дорогих материалов;

-невозможность осуществления этого способа при использовании технической воды, т. к. при температуре насыщенного пара на стенках устройства и на катализаторе будут образовываться отложения и накипь, что приведет к ее быстрому выходу из строя;

- для сбора полученных водорода и кислорода используются специальные сборные емкости, что делает способ пожаро- и взрывоопасным.

Задачей, на которую направлено изобретение, является устранение вышеуказанных недостатков, а также получение дешевого источника энергии и тепла.

Это достигается тем, что в способе получения водорода и кислорода из пара воды, включающем пропускание этого пара через электрическое поле, согласно изобретению используют перегретый пар с температурой 500-550^oC и пропускают его через электрическое поле постоянного тока высокого напряжения, вызывая тем самым диссоциацию пара и разделение его на атомы водорода и кислорода.

Предложенный способ основан на следующем.

1. Электронная связь между атомами водорода и кислорода ослабевает пропорционально повышению температуры воды. Это подтверждается практикой при сжигании сухого каменного угля. Перед тем как сжигать сухой уголь, его поливают водой. Мокрый уголь дает больше тепла, лучше горит. Это происходит от того, что при высокой температуре горения угля вода распадается на водород и кислород. Водород сгорает и дает дополнительные калории углю, а кислород увеличивает объем кислорода воздуха в топке, что способствует лучшему и полному сгоранию угля.

2. Температура воспламенения водорода от 580 до 590^oC, разложение воды должно быть ниже порога зажигания водорода.

3. Электронная связь между атомами водорода и кислорода при температуре 550^oC еще достаточна для образования молекул воды, но орбиты электронов уже искажены, связь с атомами водорода и кислорода ослаблена. Для того, чтобы электроны сошли со своих орбит и атомная связь между ними распалась, нужно электронам добавить еще энергии, но уже не тепла, а энергию электрического поля высокого напряжения. Тогда потенциальная энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона. Скорость электронов в электрическом поле постоянного тока возрастает пропорционально квадратному корню напряжения, приложенного к электродам.

4. Разложение перегретого пара в электрическом поле может происходить при небольшой скорости пара, а такую скорость пара при температуре 550^oC можно получить только в незамкнутом пространстве.

5. Для получения водорода и кислорода в больших количествах нужно использовать закон сохранения материи. Из этого закона следует: в каком количестве была разложена вода на водород и кислород, в таком же количестве получим воду при окислении этих газов.

Возможность осуществления изобретения подтверждается примерами, осуществляемыми в трех вариантах установок.

Все три варианта установок изготавливаются из одинаковых, унифицированных изделий цилиндрической формы из стальных труб.

1. Работа и устройство установки первого варианта (схема 1).

Во всех трех вариантах работа установок начинается с приготовления перегретого пара в незамкнутом пространстве с температурой пара 550^oC. Незамкнутое пространство обеспечивает скорость по контуру разложения пара до 2 м/с.

Приготовление перегретого пара происходит в стальной трубе из жаропрочной стали /стартер/, диаметр и длина которого зависит от мощности установки. Мощность установки определяет количество разлагаемой воды, литров/с.

Один литр воды содержит 124 л водорода и 622 л кислорода, в пересчете на калории составляет 329 ккал.

Перед пуском установки стартер разогревается от 800 до 1000^oC /разогрев производится любым способом/.

Один конец стартера заглушен фланцем, через который поступает дозированная вода для разложения на рассчитанную мощность. Вода в стартере нагревается до 550^oC, свободно выходит из другого конца стартера и поступает в камеру разложения, с которой стартер соединен фланцами.

В камере разложения перегретый пар разлагается на водород и кислород электрическим полем, создаваемым положительным и отрицательным электродами, на которые подается постоянный ток с напряжением 6000 В. Положительным электродом служит сам корпус камеры /труба/, а отрицательным электродом служит труба из тонкостенной стали, смонтированная по центру корпуса, по всей поверхности которой имеются отверстия диаметром по 20 мм.

Труба - электрод представляет собой сетку, которая не должна создавать сопротивление для входа в электрод водорода. Электрод крепится к корпусу трубы на проходных изоляторах и по этому же креплению подается высокое напряжение. Конец трубы отрицательного электрода оканчивается электроизоляционной и термостойкой трубой для выхода водорода через фланец камеры. Выход кислорода из корпуса камеры разложения через стальной патрубок. Положительный электрод /корпус камеры/ должен быть заземлен и заземлен положительный полюс у источника питания постоянного тока.

Выход водорода по отношению к кислороду 1:5.

2. Работа и устройство установки по второму варианту (схема 2).

Установка второго варианта предназначена для получения большого количества водорода и кислорода за счет параллельного разложения большого количества воды и, окисления газов в котлах для получения рабочего пара высокого давления для электростанций, работающих на водороде /в дальнейшем ВЭС/.

Работа установки, как и в первом варианте, начинается с приготовления перегретого пара в стартере. Но этот стартер отличается от стартера в 1-м варианте. Отличие заключается в том, что на конце стартера приварен отвод, в котором смонтирован переключатель пара, имеющий два положения - "пуск" и "работа".

Полученный в стартере пар поступает в теплообменник, который предназначен для корректировки температуры восстановленной воды после окисления в котле /К1/ до 550^oC. Теплообменник /То/ - труба, как и все изделия с таким же диаметром. Между фланцами трубы вмонтированы трубки из жаропрочной стали, по которым проходит перегретый пар. Трубки обтекаются водой из замкнутой системы охлаждения.

Из теплообменника перегретый пар поступает в камеру разложения, точно такую же, как и в первом варианте установки.

Водород и кислород из камеры разложения поступают в горелку котла 1, в которой водород поджигается зажигалкой, - образуется факел. Факел, обтекая котел 1, создает в нем рабочий пар высокого давления. Хвост факела из котла 1 поступает в котел 2 и своим теплом в котле 2 подготавливает пар для котла 1. Начинается непрерывное окисление газов по всему контуру котлов по известной формуле:

2H₂ + O₂ = 2H₂O + тепло

В результате окисления газов восстанавливается вода и выделяется тепло. Это тепло в установке собирают котлы 1 и котлы 2, превращая это тепло в рабочий пар высокого давления. А восстановленная вода с высокой температурой поступает в следующий теплообменник, из него в следующую камеру разложения. Такая последовательность перехода воды из одного состояния в другое продолжается столько раз, сколько требуется получить от этого собранного тепла энергии в виде рабочего пара для обеспечения проектной мощности ВЭС.

После того, как первая порция перегретого пара обойдет все изделия, даст контуру расчетную энергию и выйдет из последнего в контуре котла 2, перегретый пар по трубе направляется в переключатель пара, смонтированный на стартере. Переключатель пара из положения "пуск" переводится в положение "работа", после чего он попадает в стартер. Стартер отключается /вода, разогрев/. Из стартера перегретый пар поступает в первый теплообменник, а из него в камеру разложения. Начинается новый виток перегретого пара по контуру. С этого момента контур разложения и плазмы замкнут сам на себя.

Вода установкой расходуется только на образование рабочего пара высокого давления, которая берется из обратки контура отработанного пара после турбины.

Недостаток силовых установок для ВЭС - это их громоздкость. Например, для ВЭС на 250 МВт нужно разлагать одновременно 455 л воды в одну секунду, а для этого потребуется 227 камер разложения, 227 теплообменников, 227 котлов /К1/, 227 котлов /К2/. Но такая громоздкость стократ будет оправдана уже только тем, что топливом для ВЭС будет только вода, не говоря уже о экологической чистоте ВЭС, дешевой электрической энергии и тепле.

3-й вариант силовой установки (схема 3).

Это точно такая же силовая установка, как и вторая.

Разница между ними в том, что эта установка работает постоянно от стартера, контур разложения пара и сжигания водорода в кислороде не замкнут сам на себя. Конечным изделием в установке будет теплообменник с камерой разложения. Такая компоновка изделий позволит получать кроме электрической энергии и тепла, еще водород и кислород или водород и озон. Силовая установка на 250 МВт при работе от стартера будет расходовать энергию на разогрев стартера, воду 7,2 м³/ч и воду на образование рабочего пара 1620 м³/ч/вода используется из обратного контура отработанного пара/. В силовой установке для ВЭС температура воды 550^oC. Давление пара 250 ат. Расход энергии на создание электрического поля на одну камеру разложения ориентировочно составит 3600 кВтч.

Силовая установка на 250 МВт при размещении изделий на четырех этажах займет площадь 114 х 20 м и высоту 10 м. Не учитывая площадь под турбину, генератор и трансформатор на 250 кВА - 380 х 6000 В.

Изобретение имеет следующие преимущества.

1. Тепло, полученное при окислении газов, можно использовать непосредственно на месте, причем водород и кислород получаются при утилизации отработанного пара и технической воды.

2. Небольшой расход воды при получении электроэнергии и тепла.

3. Простота способа.

4. Значительная экономия энергии, т.к. она затрачивается только на разогрев стартера до установившегося теплового режима.

5. Высокая производительность процесса, т.к. диссоциация молекул воды длится десятые доли секунды.

6. Взрыво- и пожаробезопасность способа, т.к. при его осуществлении нет необходимости в емкостях для сбора водорода и кислорода.

7. В процессе работы установки вода многократно очищается, преобразуясь в дистиллированную. Это исключает осадки и накипь, что увеличивает срок службы установки.

8. Установка изготавливается из обычной стали; за исключением котлов, изготавливаемых из жаропрочных сталей с футеровкой и экранированием их стенок. То есть не требуются специальные дорогие материалы.

Изобретение может найти применение в промышленности путем замены углеводородного и ядерного топлива в силовых установках на дешевое, распространенное и экологически чистое - воду при сохранении мощности этих установок.