система получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизным методами

Формула изобретения

Система получения водорода и кислорода, включающая электроплазмохимический реактор, представляющий собой сосуд высокого давления, отличающаяся тем, что в торцах сосуда высокого давления установлены сферические днища с экранами, через которые проходят волноводы сверхвысокочастотного излучения, отделенные от внутреннего объема реактора металлическими диафрагмами с опорными сетками и содержащие форсунки для подачи углекислоты и водяного пара, разнополярные пустотелые перфорированные электроды для получения и сепарации водорода и кислорода, внутренние объемы которых соединены с осушителями, молекулярными ситами для выделения водорода, кислорода и углекислоты, выходные холодильники, газгольдер и ресивер.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам для получения водорода и кислорода, может быть использовано в области энергетики для перевода атомных электростанций из базового режима эксплуатации в диспетчерский режим с одновременным получением, использованием и накоплением водорода и кислорода.

Наиболее близким аналогом является система для получения водорода и кислорода, включающая электроплазмохимический реактор, представляющий собой сосуд высокого давления (RU 2157861, 20.10.2000).

Недостатком данной системы является большое потребление энергии, низкая скорость выделения продуктов электролиза и невозможность использования данной системы на атомных станциях.

Задачей изобретения является снижение потребления энергии и использование продуктов реакции в качестве топлива на атомных станциях.

Система получения водорода и кислорода включает электроплазмохимический реактор, представляющий собой сосуд высокого давления, в торцах которого установлены сферические днища с экранами, через которые проходят волноводы сверхвысокочастотного излучения (СВЧ), отделенные от внутреннего объема реактора металлическими диафрагмами с опорными сетками и содержащие форсунки для подачи углекислоты и водяного пара, разнополярные пустотелые перфорированные электроды для получения и сепарации водорода и кислорода, внутренние объемы которых соединены с осушителями, молекулярными ситами для выделения водорода, кислорода и углекислоты, выходные холодильники, газгольдер и ресивер.

Фиг.1. Принципиальная схема системы для получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизным методами.

Фиг.2. Зависимость электропроводности плазмы от степени ионизации смеси водяного пара и углекислоты.

Система состоит из ядерной энергетической установки, имеющей первый контур в составе: ядерный реактор 1, парогенератор 2, главный циркуляционный насос 3 и трубопровод 4 их соединяющий, второй контур в составе: парогенератора 2, турбины высокого давления 5, турбины низкого давления 6, электротурбогенератора 7, конденсатора 8, конденсатного насоса 9, питательного насоса 10, регенеративного подогревателя 11. Водородно-кислородный реактор состоит из корпуса 12, представляющего собой сосуд высокого давления, разнополярных пустотелых перфорированных параллельно расположенных на фиксированном расстоянии электродов 13 и 14, к которым проведен ток разной полярности низкого напряжения. Днища корпуса 12 закрыты экранами 15. Через днища корпуса 12 проходят волноводы 16 и 17 СВЧ от генераторов 18 и 19. Между волноводами 16 и 17 и электродами электролизера 13 и 14 установлены форсунки 20 и 21 для подачи углекислоты и водяного пара в корпус реактора 12, где под воздействием СВЧ углекислота и водяной пар образуют плазму, которая подается на электроды 13 и 14, и происходит дальнейшее разложение водяного пара и сепарация полученной смеси продуктов на разноименных электродах 13 и 14, подключенных к генератору постоянного тока 22. Углекислота в процессе разложения водяного пара не расходуется, но часть углекислоты необходимо добавлять через систему подпитки, состоящую из газгольдеров 23, ресивера 24 и компрессоров 25 и 26. Смеси сепарированных продуктов от соответствующих электродов поступают на выходные системы: холодильники-осушители 35 водорода и холодильники-осушители 36 кислорода. Система имеет молекулярное сито 27 для выделения углекислоты за ситом и молекулярное сито 28 для выделения водорода за ситом, холодильники 29 и 30, молекулярное сито 31 для выделения углекислоты за ситом, молекулярное сито 32 для выделения кислорода за ситом, выходные холодильники 33 и 34, компрессор 37, газгольдер 38, подземное хранилище 39, компрессор 40, газгольдер 41, подземное хранилище 42.

На фиг.1. для наглядности показаны электроды 13 и 14 электролизера повернутыми на 90° вокруг вертикальной оси, а в зазоры " " между электродами направлено излучение СВЧ до образования стоячих резонансных волн. Маленькими стрелками показано движение плазмы к электродам 13 и 14, через перфорацию и внутри полостей электродов 13 и 14 и продуктов разложения к системе очистки, и их выводу из системы.

На фиг.2. показана зависимость электропроводности плазмы от степени ионизации углекислоты и водяного пара. Причем при облучении смеси H₂O+CO ₂ СВЧ углекислота поглощает энергию и распадается на CO и 1/2 O₂, в свою очередь CO разлагает воду на Н ₂ и СО₂, все реакции неравновесные, данная реакция идет без затрат внешней энергии, однако энергия молекул смеси не может быть более 1500 К, так как возрастают обратные реакции, которые могут перейти в цепную.

Система для получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизным методами работает следующим образом.

Энергообеспечивающая система: реактор 1, парогенератор 2, главный циркуляционный насос 3 и трубопроводы 4 их связывающие, турбина 5 высокого давления, турбина 6 низкого давления, турбогенератор 7, конденсатор 8, конденсатный 9 и питательный 10 насосы, регенеративный подогреватель 11 и парогенератор 2 по второму контуру работают в номинальном стационарном режиме, вырабатывая электроэнергию, которая подается потребителю на генераторы СВЧ 18 и 19 с передачей на волноводы 16 и 17, одновременно подается силовое питание на генератор постоянного тока 22.

Пар из отбора турбины 6 в реактор 12 подают через форсунки 21, которые закольцованы паропроводами, туда же одновременно подается углекислота из газобаллонной рампы 23 через ресивер 24 и компрессор 26 через форсунки 20, закольцованные трубопроводами по углекислоте. Система прогрета, достигнуто необходимое давление смеси водяного пара и углекислоты - 2,5 МПа, система СВЧ достигла номинального значения по мощности, частоте, образованы резонансные стоячие волны, при этом образуется плазма, которая поступает на электроды 13 и 14 электролизера. Происходит электролиз плазмы с сепарацией смесей газов на своих электродах: водород на электроде 13, кислород на электроде 14. Одновременно присутствуют в сепарируемых газах водяные пары и углекислота. Водные пары водородной смеси осушают в холодильнике 35, а водяные пары кислородной смеси осушаются в холодильнике 36. Далее осушенная смесь поступает на молекулярные сита: 28 для выделения водорода за ситом и 27 для выделения углекислоты за ситом. Углекислота возвращается в цикл через холодильник 29 и компрессор 26, а водород после молекулярных сит 28 через холодильник 30 направляется на хранение: через компрессор 37, газгольдеры 38 в подземное хранилище 39, одновременно водород может подаваться на газопаровую установку вспомогательной электростанции. Кислородная смесь проходит через перфорацию электродов 14, попадает в полость электрода 14 и направляется на осушение в холодильник 36, обезвоженная смесь газов поступает на молекулярные сита: 32 для выделения кислорода за ситом и 31 для выделения углекислоты за ситом. Углекислота после холодильника 33 через компрессор 26 возвращается в цикл, а кислород, пройдя молекулярное сито 32 и холодильник 34, направляется к компрессору 40, газгольдерам 41 и подземному хранилищу 42.

Одновременно из газгольдеров 41 кислород может направляться к газопаровой установке на пусковой электростанции.

Технико-экономическое обоснование работы системы для получения водорода и кислорода.

Система может быть использована с любыми источниками электроэнергии, но желательно использовать электроэнергию атомных станции в период спада потребления электроэнергии и с использованием полученных водорода и кислорода в пиковых и полупиковых режимах на пусковых электростанциях с использованием парогазового цикла. В этом случае основное оборудование, например атомные электрические станции с реакторами ВВЭР-1000, постоянно работают в базовом режиме, а производство и использование водорода и кислорода снимает провалы и пики, фактически атомная электрическая станция большой мощности и пусковая электростанция работают в диспетчерском режиме по электрической нагрузке.

Ориентировочная стоимость накопленных водорода и кислорода, полученных в реакторе 12, может быть определена из условий:

- затраты электроэнергии на получение одного куб. м водорода составят не более 4 кВт·час;

- дифференциальный тариф (согласно Постановлению ФЭК №11 от 2.04.2002 г.) составит:

- ночной 284 руб/МВт·час;

- полупиковый - 355 руб/МВт·час;

- пиковый - 603 руб/МВт·час;

предполагая действие ночного тарифа, примерно, 8 часов с располагаемой мощностью около 400 МВт;

Предполагаемое действие пикового тарифа, примерно, 2-3 часа с предполагаемой мощностью 400 МВт для компенсации пика.

Следует отметить, что высшую теплотворную способность водорода можно получить, сжигая водородно-кислородную смесь стехиометрического состава в горелках высокого давления. В нашем случае рассмотрим высшую и среднюю теплотворные способности водорода.

Расчет экономического эффекта

Стоимость невостребованной ночной энергии, тыс.руб. 908,8.

Объем водорода, полученный за счет невостребованной энергии: V=800 тыс.куб.м H₂.

Теплотворная способность водорода:	высшая	средняя
кДж/куб. м 1:	2778,1	11769,1
Энергия, заключенная в 800 тыс.куб.м Н2, ГДж	10222,48	9415,3
В сеть отдается, МВт	400	400
От парогазового цикла с КПД	0,6	0,6
Энергия, отдаваемая в сеть, МВт·час	1703,7	1569,2
Время поддержания пиковой нагрузки, час	4,26	3,92
Стоимость электроэнергии, компенсирующей пиковую	1027,33	946,23
нагрузку, тыс.руб.
Прибыль без учета амортизационных отчислений и	118,53	37,43
заработной платы за один цикл - "провал-пик", тыс.руб.
Предполагая только недельные и праздничные колебания	7111,8	2245,8
нагрузки К=60 в год получим, тыс.руб

Таким образом, использование реактора для получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизным методами позволяет осуществить перевод атомной электростанции с реакторами ВВЭР-1000 и пусковой котельной с парогазовым циклом из базового режима нагрузки в диспетчерский и на этом дополнительно получать прибыль.