ГЕНЕРАТОР ВОДОРОДА И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ Российский патент 2005 года по МПК C01B3/08 B01J7/00 

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и может использоваться для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте.

Генератор представляет собой химический реактор, вырабатывающий водород путем гидролиза, т.е. разложения воды. Для этого используется твердый реагент, т.е. реакция гидролиза носит гетерогенный характер - идет на поверхности твердого вещества. Предполагается, что полученный таким образом водород в дальнейшем используется в качестве топлива для энергоустановок (ЭУ) на топливных элементах (ТЭ). Помимо этого водород может использоваться, конечно, и в других областях, например, при резке металла, сварке и т.д.

Наиболее известным примером генератора газа с твердым реагентом являются генераторы ацетилена типов ГНВ-1,25 и ГВР-1,25 и другие [1]. В них также применяется гетерогенная реакция гидролиза, а в качестве твердого реагента служит карбид кальция. Данное техническое решение принято за аналог. К его недостаткам (как самого генератора, так и способа его эксплуатации) следует отнести следующие:

- подобные генератора не предназначены для производства водорода;

- они не работают в автоматическом режиме перезагрузки и после выработки твердого реагента требуют очистки от наработанного твердого осадка;

- производительность подобных генераторов плохо регулируется, так как отсутствует система терморегулирования (СТР);

- не используется тепло, выделяемое в реакции.

Более близким по своей сути является генератор водорода, предназначенный для питания ЭУ на основе ТЭ, используемой на подводном аппарате [2]. Данный реактор также использует реакцию гидролиза, а в качестве твердого реагента используются металлогидриды (т.е. соединения металлов с водородом). Генератор включает реакционный сосуд, в который помещается контейнер с гранулами гидрида металла, теплообменник для отвода тепла реакции, устройство для перемешивания воды в реакционном сосуде (размещенное внутри последнего) и магистрали для подачи в реактор воды и отвода из реактора водорода. При этом для улучшения габаритно-весовых характеристик ЭУ применяются гидриды легких металлов, которые являются весьма дорогостоящими (LiH, BeH₂...). Это существенно повышает стоимость получаемого водорода и является существенным недостатком генератора [2], принятого в данном случае за прототип.

Помимо этого к недостаткам прототипа (как устройства, так и способа его эксплуатации) следует отнести следующие:

- неприспособленность работы генератора в автоматическом режиме с перезагрузкой твердого реагента;

- энергоемкость системы терморегулирования генератора, связанная с тем, что при пуске генератора необходимо нагревать большое количество вещества, находящегося в реакционном сосуде, и, кроме того, обеспечивать равномерность температуры во всем реакционном объеме;

- недостатком конструкции генератора является также небольшая тепловая эффективность работы его СТР.

Задачей предлагаемого решения является разработка генератора водорода, приспособленного к работе в автоматическом режиме, работающего с повышенной тепловой эффективностью и повышенным быстродействием. При этом необходимо разработать также способ его эксплуатации.

Задача решается тем, что в состав генератора водорода, работающего на реакции гидролиза с гранулами твердого реагента и содержащего реакционный сосуд с гранулами твердого реагента, магистралью выдачи водорода, магистралью подачи жидкого реагента и теплообменником для отвода тепла реакции, введен загрузочный бункер с люком, герметичным при работе генератора, а внутрь загрузочного бункера введены пусковой нагреватель и магистраль теплоносителя, которая включена в контур теплообменника для отвода тепла реакции на его выходе.

Загрузочный бункер при этом может размещаться в верхней части реакционного сосуда.

Способ эксплуатации такого генератора водорода, работающего на реакции гидролиза с гранулами твердого реагента, включает в себя загрузку гранул твердого реагента в реакционный сосуд из загрузочного бункера, подачу в реакционный сосуд жидкого реагента, разогрев реагентов для запуска генератора, охлаждение реагентов на стационарном режиме, слив продуктов реакции из реакционного сосуда и повторение всех перечисленных действий и отличается тем, что перед загрузкой гранул твердого реагента в реакционный сосуд их предварительно нагревают до температуры реакции в загрузочном бункере, а после выгрузки гранул твердого реагента в реакционный сосуд этот бункер заполняют следующей порцией гранул твердого реагента с последующим их нагревом теплом, выделяющимся в ходе реакции и подаваемым из реакционного сосуда.

Суть предложения заключается в том, что загрузочный бункер, заполненный гранулами твердого реагента (например, алюминия), кроме своего прямого назначения, выполняет также две важные функции в системе терморегулирования генератора. Во-первых, как и теплообменник реакционного сосуда, бункер служит для отвода тепла от реагирующей смеси, а во-вторых, он является пусковым нагревателем твердого реагента. При этом температура гранул в бункере доводится практически до рабочей температуры в реакционном сосуде, что позволяет максимально сократить время выхода генератора на режим.

При засыпке горячих гранул в реакционный сосуд их взаимодействие с жидким реагентом начинается сразу, так как тонкий слой жидкости вблизи поверхности гранул прогревается быстро, а в дальнейшем реакция начинает поддерживать себя сама. Для первоначального пуска генератора служит пусковой нагреватель гранул, который в дальнейшем не используется.

Такой способ эксплуатации данного генератора позволяет повысить тепловую эффективность его работы и сократить время выхода генератора на стационарный режим работы. За счет сокращения времени переходных режимов генератора происходит экономия энергии, которая затрачивается за это время на собственные нужды устройства.

Предлагаемая конструкция генератора водорода дает также возможность для его долгосрочного функционирования с автоматической перезагрузкой реагентов. Это позволяет использовать такие устройства в составе крупногабаритных, а также транспортных энергоустановок.

Схема такого генератора дана на чертеже, где обозначено:

1 - реакционный сосуд;

2 - гранулы твердого реагента;

3 - магистраль выдачи водорода;

4 - магистраль подачи жидкого реагента;

5 - теплообменник для отвода тепла реакции;

6 -люк загрузочного бункера;

7 -загрузочный бункер;

8 -пусковой нагреватель;

9 -магистраль теплоносителя;

Загрузочный бункер (7) целесообразно разместить в верхней части реакционного сосуда (1), хотя возможно расположить его и отдельно. При работе генератора загрузочный бункер (7) практически постоянно заполнен гранулами твердого реагента и изолирован от реакционного сосуда (1), то есть люк загрузочного бункера (6) находится в закрытом положении и герметичен.

Кроме гранул в загрузочном бункере (7) установлен пусковой нагреватель (8) и магистраль теплоносителя (9). Эта магистраль включается в контур прокачки теплоносителя, охлаждающего реагирующую смесь, и подключается к выходу теплообменника для отвода тепла реакции (5).

Реакционный сосуд (1) имеет магистраль подачи жидкого реагента (4) и магистраль выдачи водорода (3).

Работает такое устройство следующим образом.

После выгрузки нагретых гранул твердого реагента из загрузочного бункера (7) в реакционный сосуд (1) загрузочный бункер (7) заполняют следующей порцией гранул, а по магистрали подачи жидкого реагента (4) в реакционный сосуд (1) подают жидкий реагент. При взаимодействии жидкости с горячими гранулами твердого реагента (2) практически сразу начинается экзотермическая химическая реакция, а образующийся водород отводят по магистрали выдачи водорода (3).

Тепло, выделяющееся при реакции, выносится из реакционного сосуда (1) теплоносителем, циркулирующим в теплообменнике для отвода тепла реакции (5). Нагреваясь в этом теплообменнике, теплоноситель проходит через магистраль теплоносителя (9) в загрузочном бункере (7), заполненном гранулами твердого реагента, и нагревает их. При длительной работе генератора температура гранул в загрузочном бункере (7) практически достигает рабочей температуры в реакционном сосуде (1).

Таким образом, очередная порция гранул готова к использованию. При первом запуске "холодного" генератора нагрев гранул твердого реагента производят пусковым нагревателем (8). В дальнейшем его отключают.

После выработки реагентов в реакционном сосуде (1) продукты реакции (жидкие) сливаются, а реакционный сосуд вновь заполняют нагретыми гранулами твердого реагента, и процесс повторяется.

Таким образом, включение в состав генератора водорода многоцелевого загрузочного бункера, используемого не только по прямому назначению, но и в качестве важного элемента СТР генератора позволяет повысить эффективность работы генератора и его быстродействие за счет снижения энергозатрат на собственные нужды и сокращения времени пуска. Это и является основным положительным эффектом, который достигается данным техническим решением. Кроме того, генератор такой конструкции можно выполнить весьма компактным, а его эксплуатация обеспечивает длительную работу практически с непрекращающейся генерацией водорода и может осуществляться в автоматическом режиме.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.В.Рыбаков "Учебник газосварщика", МАШГИЗ., Москва, 1956 г., стр.34-36.

2. "Генерирование водорода путем гидролиза для энергоустановки на основе ТЭ подводного назначения". Пат.5372617, США, 1994 г.

Изобретение относится к энергетическому оборудованию и используется для получения водорода как в стационарных установках, так и на транспорте. Генератор водорода, работающий на реакции гидролиза с гранулами твердого реагента, содержит реакционный сосуд с гранулами твердого реагента, магистраль выдачи водорода, магистраль подачи жидкого реагента и теплообменник для отвода тепла реакции. В состав генератора введен загрузочный бункер с люком, герметичным при работе генератора, а внутрь загрузочного бункера введены пусковой нагреватель и магистраль теплоносителя, которая включена в контур теплообменника для отвода тепла реакции на его выходе. Способ эксплуатации генератора водорода включает загрузку гранул твердого реагента в реакционный сосуд из загрузочного бункера, подачу в реакционный сосуд жидкого реагента, разогрев реагентов для запуска генератора, охлаждение реагентов на стационарном режиме, слив продуктов реакции из реакционного сосуда и повторение всех перечисленных действий. Перед загрузкой гранул твердого реагента в реакционный сосуд их предварительно нагревают до температуры реакции в загрузочном бункере, а после выгрузки гранул твердого реагента в реакционный сосуд этот бункер заполняют следующей порцией гранул твердого реагента с последующим их нагревом теплом, выделяющимся в ходе реакции и подаваемым из реакционного сосуда. Многоцелевой загрузочный бункер используется в качестве важного элемента системы терморегулирования генератора, что позволяет повысить эффективность работы генератора и его быстродействие за счет снижения энергозатрат на собственные нужды и сокращения времени пуска. Генератор такой конструкции можно выполнить весьма компактным. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор водорода, работающий на реакции гидролиза с гранулами твердого реагента и содержащий реакционный сосуд с гранулами твердого реагента, магистралью выдачи водорода, магистралью подачи жидкого реагента и теплообменником для отвода тепла реакции, отличающийся тем, что в состав генератора введен загрузочный бункер с люком, герметичным при работе генератора, а внутрь загрузочного бункера введены пусковой нагреватель и магистраль теплоносителя, которая включена в контур теплообменника для отвода тепла реакции на его выходе.2. Генератор водорода по п.1, отличающийся тем, что загрузочный бункер размещен в верхней части реакционного сосуда.3. Способ эксплуатации генератора водорода, работающего на реакции гидролиза с гранулами твердого реагента, включающий загрузку гранул твердого реагента в реакционный сосуд из загрузочного бункера, подачу в реакционный сосуд жидкого реагента, разогрев реагентов для запуска генератора, охлаждение реагентов на стационарном режиме, слив продуктов реакции из реакционного сосуда и повторение всех перечисленных действий, отличающийся тем, что перед загрузкой гранул твердого реагента в реакционный сосуд их предварительно нагревают до температуры реакции в загрузочном бункере, а после выгрузки гранул твердого реагента в реакционный сосуд этот бункер заполняют следующей порцией гранул твердого реагента с последующим их нагревом теплом, выделяющимся в ходе реакции и подаваемым из реакционного сосуда.