способ получения водорода с помощью плазменного генератора

Формула изобретения

Способ получения водорода осуществляется с помощью соединенного через патрубок с парогенератором плазменного генератора, один из электродов которого выполнен в виде сопла с расширяющимся каналом, соосно с которым устанавливается перемещаемый в осевом направлении второй электрод в виде алюминиевого прутка, отличающийся тем, что для получения чистого водорода в качестве рабочего плазмообразующего вещества используют пар или пароводяную смесь, в область дуги подают алюминиевый пруток, и полученную смесь водорода и мелкодисперсных частиц оксида алюминия охлаждают в воде для отделения чистого водорода, причем алюминиевый пруток подключен к плюсу, а сопло - к минусу источника питания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области водородной энергетики, в частности к алюмоводородной технологии с использованием плазменного нагрева. Водород может заменить в энергетике углеводородные топлива, составляющие в настоящее время ее основу. Алюмоводородные технологии являются базовыми для водородной энергетики, в том числе и для энергоустановок на топливных элементах. Применение алюмоводородных генераторов позволит решить проблему безопасности перспективных транспортных средств и подвижных агрегатов с водородными двигательными установками, работающими в настоящее время на жидком (криогенном) водороде. Алюминий является безопасным и эффективным источником получения водорода (один объем алюминия обеспечивает при сжигании в воде генерацию 3243 объемов водорода, а один объем жидкого водорода при газификации образует 850 объемов водорода). Применение алюминия как энергетического сырья обеспечивает возможность создания необходимых энергоресурсов, так как для его транспортировки и хранения не требуются специальные емкости и заправочные системы. Срок хранения алюминия практически неограничен, и его запасы, по сравнению с углеводородными горючими, являются компактными (плотность алюминия - 2,7 г/см³; плотность углеводородных горючих - менее 0,8 г/см³).

Наиболее простым из известных способов получения водорода является электролиз воды [патент России RU № 2111285, С25В 1/12, 1998]. Недостатком данного способа является его высокая себестоимость и энергоемкость, которая при использовании электроэнергии от ветрогенераторов или солнечной энергии еще увеличивается. Поэтому процесс можно осуществлять только в ограниченном количестве и в специальных случаях.

Известны плазмохимические способы получения водорода на нефтеперерабатывающих заводах, в частности, из сероводородсодержащего газа в электродуговом реакторе [патент России RU № 2075431, С01В 3/04, 17/04, 1994]. Способ включает подачу газа в электродуговой реактор, охлаждение газа, выходящего из электродугового реактора, конденсацию серы и отделение ее от газа реакции. Газ, выходящий из электродугового реактора, охлаждают в рекуперативном теплообменнике, гидрируют серосодержащие соединения до сероводорода, полученный газ, содержащий водород и сероводород, направляют на абсорбционную очистку от сероводорода, а извлеченный сероводород рециркулируют на вход электродугового реактора. Товарный водород направляют потребителю.

Недостатком способа является его технологическая сложность, необходимость сложного оборудования и значительных энергозатрат и использование дорогостоящего сырья.

Известен способ получения водорода, при котором смесь углеводородного топлива и кислородсодержащего газа подвергают плазмохимической обработке в условиях оксигенирования углеводородного сырья [международная заявка WO 30783308, С01В 3/02]. Оксигенированный продукт подвергают пароводяному риформингу при повышенной температуре, а затем каталитической обработке для изменения соотношения моноокиси углерода и водорода в водяном газе. Последний может быть дополнительно подвергнут частичному окислению кислородом. Получаемый газ имеет высокое содержание водорода и может быть использован в составе топливных элементов для получения электричества.

Недостатком указанного способа является использование дорогостоящего сырья, а также он позволяет получить водород в смеси, из которой в дальнейшем водород необходимо выделять.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к описываемому изобретению являются способ и устройство для плазменно-каталитического превращения углеродсодержащих материалов с помощью электроразрядной плазмы для частичного окисления различных жидкостей или газов с целью получения СО и Н₂. Смесь Н₂ и СО, т.е. синтез-газа, который может содержать СН₄ и С ₂Н₄ без образования сажи. В качестве углеродсодержащих материалов используют, например, дизельное топливо, керосин, лигроин, тяжелое масло, природный газ и т.п., или возобновляемые материалы, например, сурепное масло, этанол, глицерин, биомасло, меласса, биогаз и т.п. Для этого используют электроразрядную плазменную дугу, возбуждаемую в верхней части камеры устройства. Между верхней и нижней частями камеры установлен пористый огнеупор, содержащий оксиды никеля. В устройстве, кроме источника питания, имеется корпус с расположенными в нем электродами и патрубок для подачи рабочей среды в зону плазмообразования. Плазменная дуга прежде всего служит для поддерживания общего горения потока углеродсодержащего материала, смешанного с горючим газом на основе кислорода, таким как воздух. Горение обеспечивает повышение температуры каталитического огнеупора до температурного уровня, благоприятного для частичного каталитического окисления топлива с получением синтез-газа или его смеси с метаном и этиленом. Разряды плазмы поддерживают отсутствие образования сажи и полное превращение топлива в процессе частичного окисления [заявка Франции FR № 2872149 А1, С01В 3/38, 2004 прототип].

Недостатком указанного способа является невозможность сразу получить чистый товарный водород.

Предлагаемый способ решает техническую задачу получения чистого товарного водорода из дешевого сырья, воды. Поставленная техническая задача решается тем, что в способе для получения водорода в зону плазмообразования подают рабочее вещество, в качестве которого используют пар или пароводяную смесь и алюминиевый пруток, который подключают к плюсу источника питания, а полученную смесь водорода и мелкодисперсных частиц оксида алюминия охлаждают в воде для отделения чистого водорода.

Такое выполнение способа позволяет решить поставленную задачу за счет окислительно-восстановительной реакции алюминия, происходящей в паровоздушной плазменной дуге, горящей между катодом в виде алюминиевого прутка и соплом, с получением на выходе из плазматрона частиц корунда и молекулярного водорода.

Применение алюминия, как энергетического сырья, обеспечивает возможность создания необходимых энергоресурсов, так как он является безопасным и эффективным источником получения водорода, для его транспортировки и хранения не требуются специальные емкости и заправочные системы. Срок хранения алюминия практически неограничен, и его запасы, по сравнению с углеводородными горючими, являются компактными. Преимуществом предлагаемого способа является получение чистого водорода без токсичных газообразных веществ в продуктах реакции и возможность полной регенерации исходного сырья.

Способ осуществляют плазменным генератором, содержащим источник питания, корпус с установленными в нем электродами, патрубок для подачи рабочей среды в зону плазмообразования. Плазменный генератор снабжен парогенератором, предназначенным для выработки пара и подачи его через патрубок в плазматрон. Один из электродов генератора выполнен в виде сопла, соосно с выходным каналом которого расположен второй электрод в виде алюминиевого прутка, установленного с возможностью осевого перемещения в направлении к выходному отверстию сопла. Алюминиевый пруток подключен к плюсу источника питания, а сопло - к минусу источника питания (обратная полярность).

Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, показанной на чертеже.

Устройство состоит из корпуса 1 с патрубком 2 для подсоединения к источнику пара или пароводяной смеси 3. В корпусе установлены водоохлаждаемый электрододержатель 4 с центральным каналом для подачи алюминиевого прутка 5 и водоохлаждаемое сопло 6 с расширяющимся выходным каналом 7, подключенное к минусу источника питания. Также устройство содержит механизм перемещения прутка 8 и подвижный электрический контакт 9, подключенный к плюсу источника питания. Торец сопла жестко через изолятор соединен с резервуаром 10 для воды, имеющим патрубок 11 для выхода водорода.

Пример конкретного выполнения.

Реализация заявленного способа осуществлена на экспериментальном плазматроне, в котором пароводяная дуга горит между алюминиевым прутком 5 и соплом 6. По мере оплавления прутка диаметром 4 мм, подключенного к плюсу источника питания с напряжением 200 В, он подается через электрододержатель при помощи механизма перемещения 8 с расходом 1 г/с в зону горения дуги. В зону плазмообразования через патрубок 2 с расходом 1 г/с также подается пар или пароводяная смесь, где осуществляется процесс окисления алюминия с получением частиц корунда и молекулярного водорода:

H₂ O+Al=Al₂O₃+Н₂.

На выходе получается водород - 0,125 г/с и мелкодисперсный порошок корунда - 1,875 г/с. Продукты реакции поступают в резервуар 10, заполненный водой, где происходит их разделение. Корунд оседает на дно, а водород отводится через патрубок 11 и может быть собран в специальную емкость. По окончании работы вода из резервуара подвергалась фильтрации для извлечения порошка корунда. Полученный водород может быть использован в качестве топлива в различных энергетических установках. Порошок корунда может быть применен для нанесения электроизоляционных, теплозащитных и антикоррозионных покрытий методом плазменного напыления.