ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2286402
СИСТЕМА ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ
И ЭЛЕКТРОЛИЗНЫМ МЕТОДАМИ
Имя изобретателя: Фатеев Виктор Васильевич (RU); Широков-Брюхов Евгений Федорович (RU)
Имя патентообладателя: Фатеев Виктор Васильевич (RU); Широков-Брюхов Евгений Федорович (RU)
Адрес для переписки: 117593, Москва, Литовский б-р, 5/10, кв.203, Е.Ф.Широкову-Брюхову
Дата начала действия патента: 2005.03.17
Изобретение относится к системе
получения водорода и кислорода и может быть
использовано в области энергетики.
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, 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.
Изобретение позволяет повысить
энергетическую эффективность системы за
счет сокращения потребления энергии,
использования водорода из хранилищ в
газопаровых установках вспомогательных
электростанций в ночное время.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
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.
 |
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.
|
Фиг.2. Зависимость
электропроводности плазмы от степени
ионизации смеси водяного пара и
углекислоты.
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.
РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА
Стоимость невостребованной ночной
энергии, тыс.руб. 908,8.
Объем водорода, полученный за счет
невостребованной энергии: V=800 тыс.куб.м H2.
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.
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.
Версия для печати
Дата публикации 03.12.2006гг
вверх
|
