[RU]

1. Способ получения тепловой энергии при сжигании водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, отличающийся тем, что: а) на первой стадии сжигание водорода осуществляют в камере с отверстиями для выпуска газов и атомов углерода и/или атомов серы с образованием MgO и воды в присутствии магниевого катализатора, состоящего из комбинации магниевых тонких пластинок и порошка, и б) на второй стадии магниевый катализатор восстанавливают в той же камере путем ввода дополнительного водорода с образованием воды и выделением тепла.

2. Способ по п.1, пригодный для промышленного применения, отличающийся тем, что пламя и выделяющееся тепло при сжигании водорода и магния выводят потоком холодного воздуха, направляемого посредством горячего воздуха, после того как воздух проходит через систему, содержащую наполнитель, выполненный из медных труб, на основе следующего рабочего цикла: при старте - вентилирование бойлера, остановка вентилирования, зажигание первичного пламени, постепенное открытие клапана поставки водорода, постепенное открытие клапана поставки газовой смеси из различных оксидов, введение горячего воздуха для направления пламени и тепла, и при остановке - прекращение вентиляции, прекращение подачи газовой смеси из различных оксидов, прекращение подачи водорода, тушение первичного пламени.

3. Установка для осуществления способа по пп.1-2, предназначенная для сжигания водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, в соответствии со способом по п.1, отличающаяся тем, что установка состоит из корпуса из нержавеющей стали (1), причем имеется оболочка (3), соединенная с трубопроводом (2), поставляющим водород, причем внутри корпуса (1) находятся следующие элементы: камера (M1) для равномерного распределения водорода, располагающаяся между оболочкой (3) и оболочкой (5), находящаяся внутри корпуса (1), обе оболочки сделаны из нержавеющей стали; камера (М2) для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, располагающаяся между оболочкой (5) и оболочкой (6), находящаяся внутри корпуса (1) и изготовленная из нержавеющей стали; камера (М3) для гомогенизации водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, сформированная между оболочкой (9), выполненная из нержавеющей стали, и контактная камера (14), и при этом камера содержит кварцевый слой (18); контактная камера (14) содержит магниевый катализатор (13), представляющий собой смесь магниевых тонких пластин и порошка; трубы (7), (8), изготовленные из меди или нержавеющей стали, где трубы (7) предназначены для транспорта и равномерного распределения водорода и трубы (8) соответственно для транспорта и равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы на поверхности кварцевого слоя (18) и катализатора (13); смешивающий отражатель (16), расположенный в камере (М3), обеспечивающий закручивание потока водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы к кварцевому слою (18); и на внешней стороне корпуса (1) расположены трубопровод к катализатору (17) для восполнения потерь, который связан с контактной камерой (14); трубопровод (2) для доставки водорода, соединенный с оболочкой (3); трубопровод (4) для доставки газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, который связан с камерой для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы (М2); трубопровод (10) для вывода углерода и/или серы;

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что содержит корпус (22); дополнительные трубы (23) для подачи воздуха в наполнитель, выполненный из медных труб (26); трубопровод подачи метана, обеспечивающего первичное пламя (25); набор отверстий, размещенных вдоль максимального диаметра корпуса в области усеченного конуса (24), которые обеспечивают выход горячего воздуха из горелки.

(57) Реферат / Формула:

1. Способ получения тепловой энергии при сжигании водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, отличающийся тем, что: а) на первой стадии сжигание водорода осуществляют в камере с отверстиями для выпуска газов и атомов углерода и/или атомов серы с образованием MgO и воды в присутствии магниевого катализатора, состоящего из комбинации магниевых тонких пластинок и порошка, и б) на второй стадии магниевый катализатор восстанавливают в той же камере путем ввода дополнительного водорода с образованием воды и выделением тепла.

2. Способ по п.1, пригодный для промышленного применения, отличающийся тем, что пламя и выделяющееся тепло при сжигании водорода и магния выводят потоком холодного воздуха, направляемого посредством горячего воздуха, после того как воздух проходит через систему, содержащую наполнитель, выполненный из медных труб, на основе следующего рабочего цикла: при старте - вентилирование бойлера, остановка вентилирования, зажигание первичного пламени, постепенное открытие клапана поставки водорода, постепенное открытие клапана поставки газовой смеси из различных оксидов, введение горячего воздуха для направления пламени и тепла, и при остановке - прекращение вентиляции, прекращение подачи газовой смеси из различных оксидов, прекращение подачи водорода, тушение первичного пламени.

3. Установка для осуществления способа по пп.1-2, предназначенная для сжигания водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, в соответствии со способом по п.1, отличающаяся тем, что установка состоит из корпуса из нержавеющей стали (1), причем имеется оболочка (3), соединенная с трубопроводом (2), поставляющим водород, причем внутри корпуса (1) находятся следующие элементы: камера (M1) для равномерного распределения водорода, располагающаяся между оболочкой (3) и оболочкой (5), находящаяся внутри корпуса (1), обе оболочки сделаны из нержавеющей стали; камера (М2) для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, располагающаяся между оболочкой (5) и оболочкой (6), находящаяся внутри корпуса (1) и изготовленная из нержавеющей стали; камера (М3) для гомогенизации водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, сформированная между оболочкой (9), выполненная из нержавеющей стали, и контактная камера (14), и при этом камера содержит кварцевый слой (18); контактная камера (14) содержит магниевый катализатор (13), представляющий собой смесь магниевых тонких пластин и порошка; трубы (7), (8), изготовленные из меди или нержавеющей стали, где трубы (7) предназначены для транспорта и равномерного распределения водорода и трубы (8) соответственно для транспорта и равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы на поверхности кварцевого слоя (18) и катализатора (13); смешивающий отражатель (16), расположенный в камере (М3), обеспечивающий закручивание потока водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы к кварцевому слою (18); и на внешней стороне корпуса (1) расположены трубопровод к катализатору (17) для восполнения потерь, который связан с контактной камерой (14); трубопровод (2) для доставки водорода, соединенный с оболочкой (3); трубопровод (4) для доставки газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, который связан с камерой для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы (М2); трубопровод (10) для вывода углерода и/или серы;

4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что содержит корпус (22); дополнительные трубы (23) для подачи воздуха в наполнитель, выполненный из медных труб (26); трубопровод подачи метана, обеспечивающего первичное пламя (25); набор отверстий, размещенных вдоль максимального диаметра корпуса в области усеченного конуса (24), которые обеспечивают выход горячего воздуха из горелки.

---

Евразийское 027456 (13) B1
патентное
ведомство
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45) Дата публикации и выдачи патента 2017.07.31
(21) Номер заявки 201490863
(22) Дата подачи заявки
2012.08.22 (51) Int. Cl. F23C13/08 (2006.01) F23C 99/00 (2006.01)
(57) Предметом изобретения является способ и установка для получения тепловой энергии при сжигании водорода с добавлением оксидов углерода, оксидов азота и/или оксидов серы в присутствии магниевого катализатора, состоящего из комбинации тонких магниевых пластин и порошка. Способ получения тепловой энергии в соответствии с изобретением включает две стадии, причем на первой стадии сжигание водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы происходит в присутствии магниевого катализатора в камере с отверстиями для выпуска газов и атомов углерода и/или атомов серы с образованием MgO и воды и на второй стадии магний восстанавливается в той же камере путем ввода дополнительного водорода. Установка для осуществления способа состоит из корпуса из нержавеющей стали (1), оболочки (3), соединенной с трубопроводом (2), поставляющим водород, причем внутри корпуса находятся следующие элементы: камера для равномерного распределения водорода (M1), камера для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, (М2), камера для гомогенизации водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы (М3), контактная камера (14), в которой магниевый катализатор является комбинацией тонких пластин и порошка, трубы (7), (8), изготовленные из меди или нержавеющей стали, предназначенные для транспорта и равномерного распространения водорода и газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы соответственно, отражатель (16) для гомогенизации газовой смеси, и на внешней стороне корпуса находятся трубопровод для восстановления катализатора (17), трубопровод поставки водорода (2), трубопровод (4), поставляющий газовую смесь, содержащую оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, и трубопровод (10) для вывода углерода и/или серы.
Предметом изобретения является способ получения тепловой энергии при сжигании водорода с добавлением оксидов углерода, оксидов азота и/или оксидов серы в присутствии магниевого катализатора и соответствующая установка для осуществления предлагаемого способа.
Способ получения тепловой энергии при сжигании водорода с добавлением оксидов углерода, оксидов азота и/или оксидов серы в присутствии магниевого катализатора основывается на реакции между водородом и кислородом с образованием воды и спонтанном высвобождении атома углерода, азота и/или серы, причем получаемая таким способом тепловая энергия хорошо контролируется в простой, надежной, эффективной и высоко безопасной установке, которая может внести значительный вклад в уменьшение выбросов из атмосферы или другой газовой смеси, например углекислого газа, которого в избытке в природе, угарного газа, оксида азота и/или оксидов серы, особенно сернистого газа, из промышленных газовых смесей. Заявленный способ имеет как бытовые, так и промышленные применения. Углекислый газ может быть использован в процессе горения непосредственно или в смеси с другими веществами, например, кислород, азот, оксиды азота, угарный газ, оксиды серы, что дает возможность восстановить оксиды углерода, азота и/или серы до углерода, азота и/или серы.
Всемирное потепление, вызванное повышением концентраций газов с парниковым эффектом в атмосфере, представляет собой серьезную проблему, связанную с качеством воздуха. Углекислый газ является наиболее распространенным газом с парниковым эффектом, высвобождаемым при сжигании горючих полезных ископаемых, используемых для отопления, выработки электричества и для транспорта, и как следствие является основной причиной климатических изменений. Для уменьшения выброса углекислого газа принимаются меры, такие как снижение потребляемой энергии, увеличение энергетической эффективности или использование альтернативных возобновляемых источников энергии. Основной альтернативой использованию горючих полезных ископаемых для получения энергии является водородная энергетика. Будучи изначально используемым в химической, электронной и космической промышленности более чем три десятилетия, водород также привлек внимание органов власти, исследовательских организаций, а также и деловых кругов, в качестве чистого топлива для нужд транспорта или в качестве источника электрической энергии. Проводились многочисленные мультидисциплинарные исследования, разрабатывались эффективные технологии производства, выделения, очищения, хранения, транспортировки и использования водорода в безопасных условиях.
Водород является самым экологически чистым топливом (при сжигании воды образуется только вода) и в то же время наиболее эффективным носителем энергии, имеющим энергетическую емкость на единицу массы в 2.1 раза большую, чем у природных газов. Водород также является наиболее универсальным возобновляемым источником энергии, используемым повсеместно в мире, независимо от традиционных источников энергии, как топливо для двигателей всех типов транспортных средств, так и для тепловых установок, которые имеют широкий спектр применения (жилые дома, здания, населенные пункты), а также и для питания топливных ячеек, которые производят электрическую энергию без загрязнений, имеющим множество применений, включая электронику, телекоммуникации и информационные технологии.
Для использования водорода в качестве топлива следует решить важную проблему топки. Интенсивность горения чистого водорода находится в пределах 265-325 см/с и является очень большой по сравнению с интенсивностью горения метана, которая составляет 37-45 см/с. По этой причине при нормальных условиях водород не может поддерживать пламя. Следовательно, необходимо снизить интенсивность горения водорода, тем самым и снизив опасность взрыва.
Температура пламени и скорость распространения фронта горения зависят от состава сжигаемой смеси, причем этот состав может определять увеличение размера пламени и уменьшение его скорости распространения. В зависимости от конкретных требований, предъявляемых определенным способом использования состав сжигаемой смеси следует оптимизировать очень осторожно. При сжигании водорода, как правило, приходится чаще проводить техническое обслуживание горелок, поскольку быстрое сгорание часто делает возможным контакт пламени с компонентами горелки, что приводит к их быстрому разрушению.
На глобальном уровне, были задуманы и реализованы решения, касающиеся адаптации электростанций, работающих на ископаемом топливе, на использование водорода. Начиная с 1993 в рамках демонстрационного проекта, выполнявшегося в Германии компанией SWB, было протестирована работа некоторых бойлеров с теплоемкостью 20 кВт, использующих горелки, которые были адаптированы для сжигания водорода, природного газа или некоторых смесей этих газов (International Journal of Hydrogen Energy, vol. 19, no. 10, 1994). В Японии были разработаны новые циклы Рэнкина для электростанций, использующих водород в качестве топлива (International Journal of Energy, vol. 1, no. 1, pages 29-46, 2004).
Неадекватно разработанные водородные горелки вибрируют и создают шум. Более важно, что в подобных плохо разработанных горелках пламя может быть очень нестабильным и выйти из горелки. Некоторые производители горелок ограничивают концентрацию водорода до 90-95%, заполняя остальной объем метаном. Всемирно признанные выдающиеся результаты были получены американской компанией Coen из Калифорнии. Как сообщалось, были разработаны и начались эксплуатироваться некоторые бойлеры в пределах 250,000 фунтов в час (113.5 т/ч), использующие 95% водорода с горелками Coen.
Более того, эта компания может производить горелки, сжигающие 100% водорода, в паровых котлах Rentech или Babcock &Wilcox.
Тайваньская компания De Fu Technology в настоящее время производит "водородно-кислородные" горелки с максимальной теплоемкостью 250000 ккал/ч, предназначенные для бойлеров, печей для термообработки и других применений(Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.).
Для того чтобы безопасно сжигать водород, важно уменьшить скорость сгорания на уровне инжекторов водорода, так что традиционных устройств контроля давления и скорости потока становится недостаточно. Американская компания С-В NATCOM разработала (для химической фабрики Olin Chlor Chemicals) горелку с многочисленными областями впрыска водорода (компания обладала избытком водорода при давлении 0.48 бар), которые закрываются и открываются, тем самым обеспечивая давление в оптимальных пределах (предназначенную для акватубулярных бойлеров с емкостью 34 т/ч и работающих при давлении порядка 10 бар). Система из 6 подобных зон обеспечивает степень настройки 20:1. Разработанная система контроля обеспечивает безопасное и эффективное функционирование в пяти режимах сжигания: только природный газ, только мазут, только водород, водород с природным газом и водород с мазутом. Для уменьшения образования оксидов азота в установке предотвращают непосредственный контакт топлива с воздухом посредством впрыска пара на внешнюю границу водородных инжекторов. Также, для того, чтобы избежать образование оксидов азота, рабочая температура должна поддерживаться ниже 650°С. На упомянутой химической фабрике для завершении проекта установки двух паровых котлов, использующих избыточный водород при необходимости (наличие водорода как избыточного продукта не постоянно), природный газ или мазут, необходимо 14 месяцев. Выгоды, растущие год от года благодаря росту цен на топливо, оцениваются в 2.5 миллионов долларов ежегодно.
В августе 2008 подобная система использования избыточного водорода в качестве топлива для паровых котлов была введена в эксплуатацию фабрикой Runcorn (на северо-западе Англии) компании 1NEOS CHLOR, мирового литера в производстве хлорсодержащих соединений (http://www.chemicalproces.sing.com/articles/2010/132 html).
Заявка на патент РСТ WO 2009/068424 A1 (заявитель Alstom Technology Ltd, Швейцария), которая является улучшенным вариантом заявке на патент РСТ WO 2006/058843 А1, раскрывает переходный секторальный сдвоенный восходящий поток с вихрегенератором и сектором смешивания, сдвоенный восходящий поток с переходным сектором и сдвоенный нисходящий поток с камерой сгорания.
В заявке на патент РСТ WO 2007/021053 А1 (заявитель Daum Energy Co. Ltd из Южной Кореи) представлена горелка для газообразного водорода и система поставки тепла, которая использует эту горелку. Водород генерируется непосредственно в электролитической ячейке путем электролиза водного раствора и фильтруется перед использованием. Также в заявке представлена возможность временного хранения полученного электролизом водорода в металлическом сплаве, с целью дальнейшего использования в горелке. Также обеспечивается эффективное поглощение высвобожденной тепловой энергии, что предупреждает перегрев сопла подачи водорода. В соответствии с данным изобретением горелка может быть использована в бытовых устройствах приготовления пищи.
В заявке на патент РСТ WO 2006/136316 А1 (заявитель Giacomini S.p.A, Италия) представлена каталитическая водородная горелка, работающая в надежных условиях при низкой температуре (около 300°С) без пламени. Первый катализатор для первичного окисления водорода в воздушном потоке при температуре окружающей среды дополняется другим катализатором, находящимся в нисходящем потоке в камере сгорания для дальнейшей поддержки окисления. Для предотвращения засорения пор катализатора используемый воздух очищается и нагнетается компрессором. Горелка служит источником тепла для систем поддержки температуры и/или нагрева воды в жилых домах.
В заявке на патент РСТ WO 2006/058843 А1 (заявитель Alstom Technology Ltd, Швейцария) представлен способ и устройство сжигания газообразного топлива содержащего водород или состоящего из водорода. Горелка обладает вихрегенератором, причем газообразное топливо вводится в продольном направлении и/или коаксиально, а необходимый для горения поток воздуха вводится тангенциально и является вращающимся.
В заявке на патент РСТ WO 2007/024301 А1 (заявитель Giacomini S.p.A, Италия) водород смешивается в воздухом и сжигается в камере сгорания на катализаторе (например палладий, платина) при низких температурах (200-450°С) без пламени.
Водород подается при малом давлении, предпочтительно 20 мбар. Вокруг камеры сгорания расположены теплообменники, пересекаемые трубками с отводимыми газами, теплота, высвобождаемая при горении, забирается системой водного охлаждения. Нагретая вода может храниться в резервуаре и использоваться по необходимости. Водород может быть получен непосредственно на месте путем электролиза, или может быть взят из цилиндров, где он хранится, после понижения давления. Запатентованной горелкой можно оснастить систему теплообеспечения зданий. Если горячая вода не требуется, водород может накапливаться и храниться в водородистых соединениях металлов.
Краткое описание изобретения
Способ, заявленный в настоящем изобретении, это способ получения тепловой энергии при сжигании водорода с добавлением оксидов углерода, оксидов азота и/или оксидов серы в присутствии магние
вого катализатора, который является комбинацией магниевых пластинок и порошка, который устраняет недостатки, описанный выше.
Предметом изобретения является способ получения тепловой энергии при сжигании водорода с добавлением оксидов углерода, оксидов азота и/или оксидов серы, причем на первой стадии сжигание водорода происходит в присутствии магниевого катализатора, состоящего из комбинации магниевых тонких пластинок и порошка, в камере с отверстиями для выпуска газов и атомов углерода и/или атомов серы, если оксиды серы присутствуют в смеси, с образованием MgO и воды, и на второй стадии, магний восстанавливается в той же камере путем ввода дополнительного водорода. На этих двух стадиях протекают следующие реакции:
Н2 + СОх + Mg -> MgO + С + Н20 + Q, и/или
Н2 + NxOy + Mg^- MgO + N2 + H20 + Q, и/или
H2 + SOx + Mg -"¦ MgO + S + H20 + Q, на первой стадии, и
MgO + Н2 -> Mg + Н20 + Q, на второй стадии.
COx может быть угарным газом или углекислым газом, или их смесью, NxOy может быть любым оксидом азота, например, окисью азота, двуокисью азота, закисью азота, азотистым ангидридом, четырех-окисью азота и т.д., или любой их смесью. SOx может быть любым оксидом серы, например сернистым газом или серным газом, особенно сернистым газом, который присутствует в выбросах тепловых электростанций на ископаемом топливе.
В соответствии с реализацией изобретение относится к способам получения тепловой энергии при сжигании водорода в смеси с углекислым газом, причем на первой стадии сжигание водорода происходит в присутствии магниевого катализатора, состоящего из комбинации магниевых тонких пластинок и порошка, в камере с отверстиями для выпуска газов и атомов углерода и/или атомов серы, если оксиды серы присутствуют в смеси, с образованием MgO и воды, и на второй стадии, магний восстанавливается в той же камере путем ввода дополнительного водорода. На этих двух стадиях протекают следующие реакции:
Н2 + ССЬ + Mg -> • MgO + С + Н20 + Q
MgO + Н2 Mg + Н20 + Q и в соответствии с общим балансом реакции катализатор (Mg)
2Н20 + С02
причем цикл замкнутый.
При реакции смеси оксидов углерода, оксидов азота и/или оксидов серы с водородом оксиды углерода, азота и/или серы восстанавливаются, поэтому способ данного изобретения позволяет значительно снизить загрязнение воздуха путем устранения упомянутых оксидов. Оксиды углерода, азота и/или серы обычно присутствуют в газообразных выбросах тепловых электростанций на ископаемом топливе.
Установка для сжигания водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы в соответствии с настоящим изобретением устраняет недостатки технических представленных ранее решений, так как установка состоит из корпуса из нержавеющей стали (1), например, труба из нержавеющей стали, причем имеется оболочка (3), соединенная с трубопроводом (2), поставляющим водород, внутри корпуса находятся следующие элементы:
камера для равномерного распределения водорода (M1), располагающаяся между оболочной (3) и оболочкой (5), находящаяся внутри корпуса (1), обе оболочки сделаны из нержавеющей стали;
камера для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы (М2), располагающаяся между оболочкой (5) и оболочкой (6), находящаяся внутри корпуса (1) и изготовленная из нержавеющей стали;
камера для гомогенизации водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы (М3), сформированная между оболочкой (9), сделанная из нержавеющей стали и контактная камера (14), указанная камера для гомогенизации водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы (М3) содержит кварцевый песок или шестиугольный кварцевые кристаллы, далее называемые в данном описании кварцевым слоем (18);
контактная камера (14), содержащая магниевый катализатор (13), представляющий собой смесь магниевых тонких пластин и порошка, причем магниевой порошок упорядочен в направлении внутренней стороны корпуса, а магниевые пластины установлены на внешней стороне вокруг магниевого порошка, это специальное расположение позволяет уменьшить скорость потока водорода и поддержание магниевого порошка в контактной камере (14)
трубы (7), (8), изготовленные из меди или нержавеющей стали, предназначенные для транспорта и равномерного распространения водорода - трубы (7), и соответственно для транспорта и равномерного распространения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы - трубы (8), на поверхность кварцевого слоя (18) и катализатора (13);
отражатель (16), обеспечивающий закручивание потока водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы. Отражатель может быть изготовлен из куска металла, конфигурация которого обеспечивает закручивание потока газовой смеси;
и на внешней стороне корпуса (1), перед входом к кварцевому слою (18) находятся
трубопровод к катализатору (17) для восполнения потерь, который связан с контактной камерой
(14);
трубопровод (2), поставляющий водород, соединенный с оболочкой (3);
трубопровод (4), поставляющий газовую смесь, содержащую оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, который связан с камерой для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы (М2);
трубопровод (10) для вывода углерода и/или серы;
необязательно, установка, направляющая горячий воздух в случае промышленного применения.
Установка и способ получения тепловой энергии при сжигании водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, в присутствии магниевого катализатора, который представляет собой смесь магниевых тонких пластин и магниевого порошка, для тепловых электростанций бытового и промышленного назначения, как заявлено в изобретении, имеют следующие преимущества:
позволяют сжигать водород в смеси с оксидами как при низких, так и при средних давлениях (0.10.6 бар);
уменьшают загрязнение окружающей среды путем восстановления атомов углерода и/или атомов серы;
позволяют получить высокочистый углерод, который может быть использован в различных областях;
позволяют контролировать скорость сжигания и необходимую температуру, с многочисленными промышленными применениями;
обеспечивают хорошо контролируемую атмосферу сжигания, что позволяет использование в промышленности
обеспечивают более совершенное использование избыточного водорода, производимого химическими заводами и в специализированных агрегатах, с целью получения тепловой энергии или электрической энергии;
используют относительно дешевый катализатор (Mg), который обеспечивает переход O2 из оксидов углерода, оксидов азота и/или оксидов серы к H2 на основе простых реакций, в которых используются 2 моля Н2 и максимум один моль СО2;
установка имеет относительно простую конструкцию;
способ безопасен при эксплуатации;
имеют высокую надежность;
способ позволяет отслеживать температуру и сжигаемую смесь, тем самым регулируя скорость сжигания водорода.
Далее изобретение раскрывается более подробно в соответствии с реализацией, причем в качестве смеси используется смесь, содержащая в основном углекислый газ. На фиг. 1-6 представлены
фиг. 1 - установка для сжигания водорода в смеси с углекислым газом;
фиг. 2 - поперечное сечение установки для сжигания водорода в смеси с углекислым газом; фиг. 3 - деталь В, пример крепления контактной камеры; фиг. 4 - деталь С, пример крепления отражателя; фиг. 5 - пример профиля отражателя;
фиг. 6 - способы направления тепла посредством воздуха вентилятором для промышленных применений.
Способ получения тепловой энергии при сжигании водорода в смеси с углекислым газом, как заявлено в изобретении, включает на первой стадии сжигание водорода, происходит в присутствии магниевого катализатора, состоящего из комбинации магниевых тонких пластинок и порошка, в камере с отверстиями для выпуска газов и атомов углерода, с образованием MgO и воды, и на второй стадии магний восстанавливается в той же камере путем ввода дополнительного водорода. На этих двух стадиях протекают следующие реакции:
1) Н2 + С02 + Mg -> MgO + С + Н20 + Q
2) MgO + Н2-> Mg + Н20 + Q и в соответствии с общим балансом реакции: катализатор (Mg)
2Н20 + С02 -> С + 2Н20 + Q. причем цикл замкнутый.
Как можно заметить, из теплового баланса реакции для моля углекислого газа используется два моля водорода. Количественно в реакции может находиться примерно 2400 Nm3 Н2/ч и 1200 Nm3 (Xh/ч, то
есть 2 моля Н2 для самое большое 1 моля СО2, в объеме цилиндрической камеры с магнием, например D 300x30 (около 5.7 кг Mg).
Сгорание происходит на поверхности слоя из магниевых пластинок, где водород соединяется с кислородом и высвобождается атом углерода, причем слой из магниевых пластинок размещен на внешней стороне слоя с магниевым порошком, который находится на внутренней стороне камеры. Магний имеет тенденцию окисляться, но он может быть восстановлен путем введения водорода в камеру, что приводит к высвобождению атомов кислорода для соединения с атомами водорода. Обе реакции окисления магния и водорода являются экзотермическими с большим выходом тепловой энергии, которая частично расходуется на расщепление углекислого газа. Катализатор и максимально возможная скорость потока углекислого газа (максимум 1 моль СО2 на 2 моля Н2) обеспечивают понижение скорости сгорания водорода примерно до скорости сгорания метана (37-45 м/с), и кварцевый слой обеспечивает гомогенизацию смеси Н2 и СО2 и останавливает пламя, когда подача водорода прекращается (не позволяет распространяться пламени в систему подачи водорода).
Способ получения тепловой энергии при сжигании водорода в смеси с углекислым газом в соответствии с изобретением может иметь различные бытовые и промышленные применения.
В случае бытового применения способ в соответствии с изобретением осуществляется следующим образом:
клапан трубопровода поставки водорода открыт таким образом, что минимальная скорость потока составляет примерно 10% от номинальной скорости потока;
водород воспламеняется, например, пьезоэлектрической установкой; скорость потока водорода увеличивается через по меньшей мере 10 с;
клапан трубопровода поставки углекислого газа открыт таким образом, что обеспечивает оптимальное молярное отношение водорода к углекислому газу по меньшей мере 2:1.
Для остановки операции меняются местами по сравнению с теми, что проводятся при пуске.
В случае промышленного применения способ в соответствии с изобретением осуществляется следующим образом:
первичное поджигание водорода осуществляется пламенем от метана, который поджигается при помощи пьезоэлектрической установки, причем первичное пламя направлено перпендикулярно оси водородной горелки;
клапан трубопровода поставки водорода открыт таким образом, что обеспечивает максимальную скорость потока, которая зависит от типа установки и может составлять от нескольких м3/ч до нескольких тысяч м3/ч;
клапан трубопровода поставки углекислого газа открыт таким образом, что обеспечивает молярное отношение водорода к углекислому газу по меньшей мере 2:1 (в соответствии с химической реакцией 2 моля водорода реагируют с одним молем углекислого газа).
Процесс остановки горения происходит в обратном порядке по сравнению с тем, как он происходит при пуске, а именно прекращение подачи углекислого газа, прекращение подачи водорода, гашение первичного метанового пламени. Промышленные установки также обеспечиваются двумя оптическими сенсорами для первичного пламени и для пламени смеси водорода и углекислого газа, которые включены в специальную схему автоматизации, которая не является объектом настоящего изобретения, и как известно осуществляется специалистами на основе последовательности работы установки, описанной выше.
В промышленном варианте установка охлаждается посредством потока воздуха, нагнетаемого вентилятором, который направлен в камеру, что позволяет охладить установку, изображенную на фиг. 1. Нагретый воздух двигается вихревым образом через пространство в форме усеченного конуса внутри горна горелки. Трубопровод, направляющий горячий воздух в бойлер сделан из медных труб, что обеспечивает теплопередачу вентилируемому воздуху.
Установка, заявленная в изобретении, в обоих вариантах использования в быту и промышленности решает проблему сжигания водорода в смеси с углекислым газом и другими оксидами как описано выше посредством катализатора, состоящего из магниевых тонких пластин и порошка, который позволяет получить атомы углерода и тем самым вносит вклад и снижение избытка углекислого газа в природе, в условиях максимальной безопасности, в соответствии с заявленным способом.
Установка, заявленная в изобретении состоит из корпуса из нержавеющей стали (1), например, труба из нержавеющей стали, причем имеется оболочка (3), соединенная с трубопроводом (2), поставляющим водород, внутри корпуса (1) находятся следующие элементы:
камера для равномерного распределения водорода (M1), располагающаяся между оболочной (3) и оболочкой (5), находящаяся внутри корпуса (1), обе оболочки сделаны из нержавеющей стали;
камера для равномерного распределения углекислого газа (М2), располагающаяся между оболочкой (5) и оболочкой (6), находящаяся внутри корпуса (1) и изготовленная из нержавеющей стали;
камера для гомогенизации водорода в смеси с углекислым газом (М3), сформированная между оболочкой (9), выполненная из нержавеющей стали и контактную камеру (14), указанная камера для гомогенизации водорода в смеси с углекислым газом (М3) содержит кварцевый слой (18); кварцевый песок или кварцевые кристаллы в кварцевом слое (18) могут иметь размер зерна 0.8-2 мм;
контактная камера (14), содержащая магниевый катализатор (13), представляющий собой смесь магниевых тонких пластин и порошка, причем магниевой порошок упорядочен в направлении внутренней стороны корпуса, а магниевые пластины установлены на внешней стороне вокруг магниевого порошка, это специальное расположение позволяет уменьшить скорость потока водорода; контактная камера (14) может быть изготовлена из сетки из нержавеющей стали, например с размером ячейки 50 нм, причем магниевый катализатор (13) содержится в виде смеси магниевых пластинок и порошка упомянутым образом;
трубы (7), (8), изготовленные из меди или нержавеющей стали, предназначенные для транспорта и равномерного распространения водорода и углекислого газа соответственно на поверхность кварцевого слоя (18) и катализатора (13);
отражатель (16), обеспечивающий закручивание потока водорода в смеси с углекислым газом через кварцевый слой (18). Отражатель может быть изготовлен из куска металла, конфигурация которого обеспечивает закручивание потока газовой смеси;
и на внешней стороне корпуса (1) находятся
трубопровод к катализатору (17) для восполнения потерь, который связан с контактной камерой
(14) ;
трубопровод (2), поставляющий водород, соединенный с оболочкой (3);
трубопровод (4), поставляющий углекислый газ, который связан с камерой для равномерного распределения углекислого газа (М2);
трубопровод (10) для восстановления углерода;
необязательно, установка, направляющая горячий воздух в случае промышленного применения.
Пример размещения труб (7) и (8) внутри корпуса (1) представлен на фиг. 2. Пример закрепления контактной камеры (14) с магниевым элементом в роли катализатора представлен на фиг. 3, причем закрепление в этом случае осуществляется с помощью гайки (11), прокладки (12) и эластичного элемента
(15) .
Предпочтительно, чтобы на нижней стороне контактной камеры (14) был технологически выполнен скос в 15° по высоте так, чтобы остающийся в камере углерод мог быть восстановлен через трубопровод
(10).
Предпочтительная форма и закрепление отражателя (16) представлена на фиг. 4 и фиг. 5 соответственно. Болт из нержавеющей стали (19) имеет тугую посадку для закрепления в трубе для распространения углекислого газа, и он имеет отверстия, позволяющие углекислому газу проникать в кварцевый слой
(18).
Магниевый катализатор представляет собой набор тонких пластин и порошка и занимает контактная камера (14), которая может быть сделана в виде сита. Отношение массы магниевых пластинок к массе магниевого порошка может варьироваться от 5/1 до 4/1.
Из камеры для равномерного распределения водорода (M1) водород однородно распространяется по трубам (7), которые могут быть наращены или приварены к оболочкам (5), (6) или (9) для изоляции камер.
Углекислый газ равномерно распространяется по трубам (8). Они прикреплены к оболочкам (6) и (9), например, путем наращения или сварки, в зависимости от используемого материала (например меди или нержавеющей стали). Следуя процессу сжигания, катализатор (13), который обеспечивает переход кислорода от углекислого газа (СО2) к водороду (H2), может расходоваться, что требует его периодического восстановления в контактной камере (14), например, через трубопровод (17).
При промышленном применении необходимо направлять пламя и тепло посредством холодного воздуха, нагнетаемого снаружи установки по сжиганию в соответствии с фиг. 6. Холодный воздух, нагнетаемый вентилятором, которым оснащен бойлер, который не показан на чертежах, направляется внутрь камеры, что позволяет охладить установку, описанную на фиг. 1, затем нагретый воздух проходит через пространство в форме усеченного конуса, где приварены пластины радиатора из листового металла (27) внутри топочной камеры бойлера (20). Корпус (22) содержит систему питающих труб (23), например, числом 12 штук и содержащих внутри медные наполнитель (26), например, трубы диметром 10 мм и толщиной 1 мм, обрезанные до длины 10 мм, что обеспечивает передачу тепла от корпуса вентилируемому воздуху. В промышленных установках также должно быть первичное пламя, получаемое при под-жиге метана пьезоэлектрической системой (21), который поставляется по трубопроводу (25).
Часть углерода, получающаяся в процессе разложения СО2 в реакции с водорода с кислородом из СО2, выводится по трубопроводу (10), и оставшаяся часть рассеивается по дну топки бойлера, где установка расположена, поэтому необходимо периодически очищать бойлер. Важно отметить, что нельзя позволять в промышленных установках накапливаться в топке (месте сжигания внутри бойлера, которое представлено на чертежах) более 50 кг атомарного углерода, так как существует риск его возгорания и, следовательно, риск расплавления топки.
В случае если невозможно обеспечить концентрацию углекислого газа более 98-99%, в способе, заявленном в изобретении, допускается использование смеси углекислого газа с другими газами, например кислородом и азотом или оксидами азота.
При воплощении изобретения также можно использовать смесь газов, содержащую 40-60% азота, 24% кислорода, 36-48% углекислого газа, указанная газовая смесь может быть получена из реализующихся в настоящее время химических процессов.
При другой реализации изобретения также можно использовать газовую смесь, содержащую 1012% кислорода, 10-12% углекислого газа, NO* в количестве 250-300 мг/м3 и оставшуюся часть составляет азот.
При другой реализации изобретения газовая смесь может дополнительно содержать сернистый газ, который содержится в выбросах тепловых электростанций на ископаемом топливе.
Примеры
Пример 1
Используется установка, имеющая внешний диаметр 300 мм, длину 300 мм, толщину слоя магниевых пластинок 30 мм, толщину слоя магниевого порошка 5 мм и толщину кварцевого слоя 20 мм.
В этих условиях водород можно сжигать при скоростях потока от 900 мм3/ч до 3000 м3/ч, причем скорость сжигания углекислого газа составляет половину скорости сжигания водорода (так как на 2 моля водорода приходится 1 моль углекислого газа).
Во всех случаях необходимость кислорода в свободном состоянии или в углекислом газе принимается во внимание, что обеспечивает полное сжигание водорода.
Пример 2
В промышленном варианте установки помимо установки, описанной в примере 1, используется корпус диаметром 1200 мм и вентилятор, причем последний обеспечивает как охлаждение представленной ранее установки, так и направление пламени. Также используется трубопровод для ввода метана, при сжигании которого получается первичное пламя, и который поджигается пьезоэлектрической установкой.
Рабочий цикл имеет следующий вид: при старте - вентилирование бойлера, остановка вентилирования, зажигание первичного пламени, постепенное открытие клапана поставки водорода, постепенное открытие клапана поставки углекислого газа, введение горячего воздуха для направления пламени и тепла, и при остановке - остановка вентиляции, прекращение подачи углекислого газа, прекращение подачи водорода, тушение первичного пламени.
Очевидно, что для специалистов в данной области способ и установка в соответствии с изобретением, раскрытые выше, в отношении с характерной реализацией изобретения, в которой сжигание водорода происходит в смеси, содержащей преимущественно углекислый газ, могут быть реализованы подобным образом для сжигания водорода с другими газовыми смесями, содержащими любые оксиды углерода и/или любые оксиды азота и/или любые оксиды серы в любом сочетании и любых пропорциях.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ получения тепловой энергии при сжигании водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, отличающийся тем, что:
а) на первой стадии сжигание водорода осуществляют в камере с отверстиями для выпуска газов и
атомов углерода и/или атомов серы с образованием MgO и воды в присутствии магниевого катализатора,
состоящего из комбинации магниевых тонких пластинок и порошка, и
б) на второй стадии магниевый катализатор восстанавливают в той же камере путем ввода дополни-
тельного водорода с образованием воды и выделением тепла.
2. Способ по п.1, пригодный для промышленного применения, отличающийся тем, что пламя и выделяющееся тепло при сжигании водорода и магния выводят потоком холодного воздуха, направляемого посредством горячего воздуха, после того как воздух проходит через систему, содержащую наполнитель, выполненный из медных труб, на основе следующего рабочего цикла: при старте - вентилирование бойлера, остановка вентилирования, зажигание первичного пламени, постепенное открытие клапана поставки водорода, постепенное открытие клапана поставки газовой смеси из различных оксидов, введение горячего воздуха для направления пламени и тепла, и при остановке - прекращение вентиляции, прекращение подачи газовой смеси из различных оксидов, прекращение подачи водорода, тушение первичного пламени.
3. Установка для осуществления способа по пп.1-2, предназначенная для сжигания водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, в соответствии со способом по п.1, отличающаяся тем, что установка состоит из корпуса из нержавеющей стали (1), причем имеется оболочка (3), соединенная с трубопроводом (2), поставляющим водород, причем внутри корпуса (1) находятся следующие элементы:
камера (M1) для равномерного распределения водорода, располагающаяся между оболочкой (3) и оболочкой (5), находящаяся внутри корпуса (1), обе оболочки сделаны из нержавеющей стали;
камера (М2) для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, располагающаяся между оболочкой (5) и оболочкой (6), находящаяся внутри корпуса (1) и изготовленная из нержавеющей стали;
камера (М3) для гомогенизации водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы, сформированная между оболочкой (9), выполненная из нержавеющей стали, и контактная камера (14), и при этом камера содержит кварцевый слой (18);
контактная камера (14) содержит магниевый катализатор (13), представляющий собой смесь магниевых тонких пластин и порошка;
трубы (7), (8), изготовленные из меди или нержавеющей стали, где трубы (7) предназначены для транспорта и равномерного распределения водорода и трубы (8) соответственно для транспорта и равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы на поверхности кварцевого слоя (18) и катализатора (13);
смешивающий отражатель (16), расположенный в камере (М3), обеспечивающий закручивание потока водорода в смеси с оксидами углерода, оксидами азота и/или оксидами серы к кварцевому слою
(18);
и на внешней стороне корпуса (1) расположены
трубопровод к катализатору (17) для восполнения потерь, который связан с контактной камерой
(14);
трубопровод (2) для доставки водорода, соединенный с оболочкой (3);
трубопровод (4) для доставки газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы, который связан с камерой для равномерного распределения газовой смеси, содержащей оксиды углерода, оксиды азота и/или оксиды серы (М2);
трубопровод (10) для вывода углерода и/или серы;
4. Установка по п.3, отличающаяся тем, что содержит
корпус (22);
дополнительные трубы (23) для подачи воздуха в наполнитель, выполненный из медных труб (26); трубопровод подачи метана, обеспечивающего первичное пламя (25);
набор отверстий, размещенных вдоль максимального диаметра корпуса в области усеченного конуса (24), которые обеспечивают выход горячего воздуха из горелки.
Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
027456
027456
- 1 -
- 1 -
(19)
027456
027456
- 1 -
- 1 -
(19)
027456
027456
- 4 -
- 3 -
(19)
027456
027456
- 8 -
027456
027456
- 8 -
027456
027456
- 10 -