ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2295502

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ АНАЭРОБНО РАЗЛАГАЕМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА
ИЗ АНАЭРОБНО РАЗЛАГАЕМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Имя изобретателя: РОЙЧОУДХУРИ Сукомал (US); МакАЛИСТЕР Рой Эдвард (US) 
Имя патентообладателя: РОЙЧОУДХУРИ Сукомал (US); МакАЛИСТЕР Рой Эдвард (US)
Адрес для переписки: 103735, Москва, ул. Ильинка, 5/2, ООО "Союзпатент", пат.пов. С.Б.Фелицыной, рег. № 303
Дата начала действия патента: 2000.02.01 

Изобретение относится к способу обработки анаэробно разлагаемых органических материалов, например мусорных материалов или осадков сточных вод, и к устройству для отделения диоксида углерода от других газообразных веществ, полученных при разложении органического материала. Способ включает формирование реакционной смеси, содержащей анаэробно разлагаемые органические материалы, приложение к ней электрического потенциала и сбор газа. Для получения газа, содержащего повышенное количество водорода и пониженное количество метана по сравнению с газами, образующимися самопроизвольно из указанных анаэробно разлагаемых органических материалов, осуществляют прерывистую генерацию электрического тока с интервалами, определяемыми в соответствии с содержанием водорода и/или метана, детектируемым в газе, полученном из органического материала. Технический эффект - повышение производительности по водороду при уменьшении энергозатрат, сокращение времени, требуемого для переработки органических материалов.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к способу получения водорода из подвергнутых анаэробному разложению органических материалов, включающих такие анаэробно разлагаемые органические материалы, как компоненты мусора и осадки сточных вод, к способу разделения полученного таким образом водорода и совместно образующегося диоксида углерода, а также к устройствам, предназначенным для осуществления такого разделения.

Общепризнано, что для непрерывного промышленного роста необходимы дополнительные источники энергии. В настоящее время существует реальная опасность чрезмерной зависимости от ископаемого топлива. Ископаемое топливо (углеводороды) представляет собой ограниченный источник запасенной энергии, которая обычно выделяется в ходе процесса горения. В результате сгорания углеводородов человечество вбрасывает в атмосферу миллиарды тон токсичных загрязнителей. В связи с этим, разработка альтернативных источников возобновляемых топлив является существенным фактором как с экологической, так и с экономической точки зрения.

Водород представляет собой топливо, не образующее загрязняющих веществ, поскольку единственным продуктом его сгорания является вода. Водород имеет разнообразное промышленное применение, например, в производстве удобрений, красителей, лекарственных средств, пластмасс, гидрированных масел и жиров, а также метанола, и используется в различных областях промышленности. Это вещество используется также в качестве ракетного топлива и, в соответствии с настоящим изобретением, может применяться в качестве минус-эмиссионного топлива, что позволяет очищать воздух с помощью традиционных двигателей.

Общепринятыми способами получения водорода в промышленно значимых количествах являются: (1) паровой реформинг углеводородов, (2) парциальное окисление угля, (3) электролиз воды и (4) непосредственное использование солнечного излучения (фотоэлектрический метод).

Недостатком парового реформинга углеводородов и парциального окисления угля является тот факт, что расходуются ископаемые углеводородные топлива. Производство водорода электролизом воды, представляющее собой относительно простой и экологически чистый процесс, является дорогостоящим и поэтому экономически невыгодным для большинства промышленных применений, поскольку количество энергии необходимое для электролиза воды превышает энергию, получаемую сжиганием полученного водорода. Фотоэлектрические методы производства водорода лимитируются ограниченным доступом к солнечной энергии для большинства народов мира.

Способ получения водорода из таких сахаров, как глюкоза и мальтоза, обсуждается в Energy and the Environment, Proceedings of 1st World renewable energy congress. Reading, UK 23-28 September 1990, S.Roychowdhury and D.Cox («Roychowdhury»). Описанный способ включает приготовление «мусорного инокулята» из материалов взятых с различных глубин мусорных отходов в результате сушки, измельчения (с получением «мусорного порошка») и инкубации «на месте». Было отмечено, что полученная в результате инкубированная культурная среда образует, главным образом, диоксид углерода и метан, а также небольшое количество других веществ, что указывает на наличие в инокуляте высоко метаногенной флоры. Однако было установлено, что инокуляция растворов различных сахаров супернатантом такой культурной среды, или в некоторых случаях мусорным порошком, приводит к получению водорода и диоксида углерода без образования метана или кислорода. Полученный результат указывает на присутствие водород-производящих бактерий в мусорном инокуляте и/или влияние выделяющегося водорода на мусорные материалы и инокулят. Было обнаружено, что образование водорода уменьшается с повышением кислотности.

Настоящее изобретение частично базируется на установлении факта возможности обработки анаэробно разлагаемых органических материалов путем пропускания через них относительно малого и/или прерывистого электрического тока с целью повышения производительности по водороду и подавления образования метана. Такая обработка позволяет получать водород из таких типичных отходов, как материалы из пунктов сбора муниципальных отходов и установок по обработке сточных вод, в таких количествах, что химически накопленная потенциальная энергия полученного водорода превышает энергию, требуемую для генерации электрического тока, при одновременном уменьшении массы отходов и/или уменьшении времени, требуемого для обработки или утилизации такого материала. Следовательно, настоящее изобретение предусматривает способ получения водорода, не требующий использования ископаемых топлив, который не зависит от, в некоторой степени, случайного наличия солнечного света и который может использоваться, например, для обеспечения сообществ с относительно неразвитыми системами электроснабжения и другими энергетическими инфраструктурами системой, обеспечивающей полезную энергию из собранных отходов.

Особенный интерес вызывает возможность обработки мусорных материалов, поскольку такие материалы представляют повсеместную проблему для многих городов мира, являясь местами обитания таких разносчиков заразы, как грызуны, тараканы и микроорганизмы, вызывающие инфекционные заболевания, а также источниками парниковых газов и загрязнения грунтовых вод за счет образования ядовитых выщелачивателей. Обработка в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает секвестрацию углерода из мусорных отбросов, включая те, что представляют собой отложения для осадков сточных вод.

Таким образом, в соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения предусматривается способ обработки анаэробно разлагающегося органического материала, включающий генерацию электрического тока внутри указанного материала с целью усиления активности водородопродуцирующих микроорганизмов и снижения активности метанобразующих микроорганизмов.

Анаэробно разлагаемые органические материалы, которые могут подвергаться обработке в соответствии с таким аспектом изобретения, включают анаэробно компостообразующие целлюлозные материалы и анаэробно перевариваемые осадки сточных вод. Анаэробно компостируемые целлюлозные материалы обычно находятся в мусорных материалах, которые, как правило, содержат 70% целлюлозных материалов и имеют содержание влаги 36-46%. Анаэробно сброженные осадки сточных вод обычно включают ил с установок по обработке муниципальных сточных вод; как правило, они представляют собой главным образом жидкость и содержат 2-3% твердых веществ. В естественном виде мусорные материалы и осадки сточных вод содержат метанобразующие бактерии и водородобразующие бактерии.

Другие органические материалы, которые можно подвергать описанной обработке, включают хлевный навоз, сельскохозяйственные отходы и пищевые отходы. Указанные материалы могут инокулироваться, например, образцами мусорных материалов или осадком сточных вод перед электрообработкой. Если желательно, то используемый инокулят может быть подвергнут предварительной обработке путем пропускания через него электрического тока или путем сбраживания в присутствии повышенных концентраций водорода.

Термин «анаэробное разложение» относится к процессу, в котором органические соединения, например, карбогидраты общей формулы СnН2nО n и другие питательные вещества, разлагают в окружающей среде, не содержащей доноров кислорода. При таком анаэробном разложении обычно образуются в относительно больших количествах такие летучие карбоновые кислоты, как уксусная кислота; другим типичным продуктом разложения является бикарбонат аммония. Хотя в некоторых случаях анаэробному разложению предшествует аэробное разложение, этот факт не служит предпосылкой для обработки анаэробно разлагаемого органического материала в соответствии с данным аспектом изобретения. Следует иметь в виду, что рассматриваемый способ может применяться к органическим материалам на различных стадиях анаэробного разложения, и что генерацию электрического тока можно осуществлять до или совместно с указанным разложением.

Не ограничиваясь конкретной теорией, предполагается, что электрический ток способствует гидролизу летучих карбоновых кислот, которые, как известно, выполняют функции электролитов, и, возможно, бикарбоната аммония, в результате чего образуется водород. Поскольку не наблюдается образование кислорода, можно предположить, что электролиз воды не участвует в наблюдаемом образовании водорода. Также предполагается, что полученный таким образом водород ингибирует деление, рост и активность метаногенных микроорганизмов, при этом в значительной степени поддерживается продуцирование водород-выделяющих ферментов.

Рассматриваемый аспект изобретения может быть реализован практически на любой крупной установке для переработки городского мусора или сточных вод, например, в резервуарах для озоления сточных вод. Этот процесс может также реализоваться на практике в меньших масштабах в любых местах, где имеются или могут образовываться такие анаэробно разлагаемые органические материалы, как анаэробно компостируемые целлюлозные материалы или анаэробно сброженные осадки сточных вод. Так, например, можно проводить разложение целлюлозных материалов и/или осадков сточных вод «на месте», например, в локальном бункере или камере, а не в централизованной установке для обработки мусора или сточных вод. Такие анаэробно разлагаемые органические материалы необязательно могут транспортироваться на перекачивающую станцию, снабженную оборудованием для получения водорода путем обработки в соответствии с настоящим изобретением, или могут быть подготовлены для получения водорода «на месте» обработкой в локальном бункере или камере. При таких технических решениях водород можно аккумулировать или использовать на месте с получением полезных форм энергии, включающих то относительно небольшое количество энергии, которое требуется для генерации электрического тока.

Электрический ток можно генерировать, например, приложением электрического потенциала между электродами, находящимися в контакте с органическим материалом, например, когда один или более наборов электродов размещены внутри материала. Рассматриваемые электроды могут быть изготовлены, например, из свинца, меди, стали, латуни, или углерода, более предпочтительно из стальных брусков, и наиболее предпочтительно, из пропитанного металлом графита, обладающего повышенной электропроводностью. Наборы электродов могут иметь любую форму, например, они могут быть выполнены в виде пластин, брусков, сетки и т.п.

Обработка в соответствии с рассматриваемым воплощением настоящего изобретения может осуществляться путем приложения электрического потенциала в 1-7 вольт, предпочтительно, 3-6 вольт, наиболее предпочтительно, 3,0-4,5 вольт.

Желательно генерировать электрический ток при низких диэлектрических и омических потерях. Размещение и разделение электродов может регулироваться таким образом, чтобы создать указанные выше условия, и может оказаться полезным применение программы регулировки напряжения, включающей периодическую перемену полярности. Напряжение, среднее расстояние между электродами и число электродов могут изменяться в зависимости от размера и состава органического материала, подлежащего обработке.

В соответствии с предпочтительным воплощением рассматриваемого аспекта изобретения каждый отдельный электрод помещают в мусорный материал и окружают инертной «клеткой», которая эффективно обеспечивает непосредственное соседство влажного компонента мусорного материала, а не компонента, отрицательно влияющего на электрическую активность, с каждым электродом. Следует иметь в виду, что оптимальное размещение каждого электрода в мусорном материале может потребовать применения метода проб и ошибок.

Электрический ток можно генерировать прерывисто, предпочтительно, с интервалами, которые выбирают так, чтобы минимизировать потребление электрической мощности и при этом максимизировать выработку водорода, например, с интервалами, определенными с учетом уровней содержания водорода и/или метана в газе из органического материала. Так, например, рабочий цикл приложения электрического потенциала может адаптивно регулироваться по информации, полученной посредством обратной связи от газового детектора и связанного с ним регулятора. В одном из таких технических решений электрический потенциал прилагают при детекции следовых количеств метана и его поддерживают до момента практически полного подавления образования метана; соответствующие временные периоды регистрируют. После прекращения приложения электрического потенциала регулятор регистрирует время до нового определения образования следовых количеств метана и после этого запускает рабочий цикл, в рамках которого электрический потенциал прилагается в течение несколько более длительного времени, чем время, отвечающее подавлению образования метана, а отключение осуществляется на несколько меньший временной интервал, чем время, отвечающее повторному детекции следов метана. Напряжение приложенного электрического потенциала, если желательно, может уменьшаться контролируемым образом, что составляет часть адаптивного управления, направленного на минимизацию энергетических затрат.

В типичном примере способа обработки в соответствии с рассматриваемым аспектом настоящего изобретения образование водорода начинается в ходе генерации электрического тока в анаэробно разлагаемом органическом материале, и количество образовавшегося водорода повышается до 70-75% от общего объема полученных газов. Уровень содержания образовавшегося метана снижается с примерно 70% от общего объема полученных газов, что имеет место при первом пропускании электрического тока, до следовых количеств. Производительность процесса по диоксиду углерода и азоту остается практически постоянной и существенно не меняется в зависимости от выхода метана или водорода.

При обработке анаэробно разлагаемого органического материала в соответствии с настоящим изобретением образуются значительные количества диоксида углерода. Желательно осуществлять экономичное отделение водорода от указанного диоксида углерода с тем, чтобы повысить ценность водорода, например, путем увеличения плотности его аккумуляции и облегчения его применения в топливных элементах. Отделенный диоксид углерода может использоваться, например, в теплицах или в гидропонике.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предусматривается способ отделения диоксида углерода, образовавшегося из органического материала, от водорода, также полученного из органического материала, в результате преимущественной абсорбции указанного диоксида углерода в жидкости при повышенном давлении, в результате чего водород улавливается в специальных коллекторах.

В качестве находящейся под давлением жидкости лучше всего использовать воду. Растворимость диоксида углерода в воде составляет 21,6 объемов газа на объем воды при давлении в 25 атмосфер и 12°С (54°F). При повышении давления или понижении температуры количество диоксида углерода, растворенное в объеме воды, увеличивается, тогда как понижение давления или повышение температуры способствует выделению растворенного диоксида углерода. На большинстве территорий Земли температура грунтовых вод поддерживается на значении, равном среднегодовой температуре воздуха плюс 0,55°С (1,0°F) для каждых 24,4 метров (80') покрывающих пластов почвенного слоя в направлении зоны насыщения.

Газовая смесь, состоящая, например, из водорода, диоксида углерода и небольшого количества азота и других газов, может принудительно подаваться снизу водяного столба высотой, по меньшей мере, 300 метров (примерно 1000') при температуре 4-16°С (40-60°F). Такой столб может, например, представлять собой скважину, проходящую на 300 метров вниз от насыщенной зоны локальной грунтовой воды. При таком подходе обеспечивается чрезвычайно большой поглотитель тепла за счет подпочвы, включающий грунтовую воду в зоне насыщения, температура которой для большинства климатических зон в течение года обычно имеет постоянное значение в желаемом интервале температур. Для этих целей также могут использоваться водяные столбы, расположенные на горных склонах, однако в этом случае может сказываться отрицательное влияние зимних заморозков и нежелательное нагревание в летний сезон.

В условиях поддерживаемой температуры и давления диоксид углерода легко переходит в раствор, тогда как газообразный водород может быть собран и подан на поверхность для различных применений.

Как подробно описывается ниже, жидкость под давлением, содержащая диоксид углерода, может быть извлечена, и после необязательного подвода тепла, ей может быть предоставлена возможность дросселирования с целью выделения диоксида углерода и передачи энергии двигателю. После этого дросселированную жидкость можно подвергнуть охлаждению, повысить ее давление и рециркулировать для последующей абсорбции диоксида углерода.

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается устройство, предназначенное для использования в разделительных процессах, как правило, для отделения диоксида углерода от других газообразных веществ, полученных в результате разложения органических материалов, например таких горючих газов, как водород, метан и их смеси. Такое устройство раскрыто в пунктах 13-20 прилагаемой формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На сопроводительных чертежах, иллюстрирующих изобретение и не ограничивающих его область:

Фигура 1 изображает схему последовательных операций, иллюстрирующую получение водорода и подавление метаногенеза из анаэробно разлагаемого органического материала при наличии приложенного электропотенциала, а также метаногенез из анаэробно разлагаемых органических материалов без приложения электропотенциала; фигура 2 - схему последовательных операций, иллюстрирующую процесс получения водорода, включающий приобъектное анаэробное разложение органического материала.

Фигура 3 - информацию, приведенную в Таблице 1 Примера 1 в виде гистограммы; фигура 4 - информацию, приведенную в Таблице 2 Примера 2 в виде гистограммы.

Фигура 5 - информацию, приведенную в Таблице 3 Примера 3 в виде гистограммы; фигура 6 - информацию, приведенную в Таблице 5 Примера 5 в виде гистограммы.

Фигура 7 - информацию, приведенную в Таблице 6 Примера 5 в виде гистограммы; фигура 8 - информацию, приведенную в Таблице 8 Примера 6 в виде гистограммы.

Фигура 9 - информацию, приведенную в Таблице 9 Примера 7 в виде гистограммы; фигура 10 - информацию, приведенную в Таблице 10 Примера 8 в виде гистограммы.

СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ АНАЭРОБНО РАЗЛАГАЕМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ АНАЭРОБНО РАЗЛАГАЕМОГО ОРГАНИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА

Фигура 11 - вариант выполнения изобретения, в котором адаптивно регулируется приложение прерывисто подаваемого напряжения для максимизации образования водорода при минимизации образования метана; фигура 12 - вариант выполнения изобретения, демонстрирующий генерацию напряжения для получения водорода.

Фигура 13 - другой вариант выполнения изобретения; фигура 14 - еще один вариант выполнения изобретения.

Фигура 11 изображает устройство 200, в котором на подходящие электроды, например концентрические электроды 202 и 204, прерывисто подается напряжение для влияния на сольватированные органические отходы, расположенный между электродами с целью получения водорода. В рабочем состоянии напряжение подается от источника 216 в соответствие с рабочим циклом, регулируемым с помощью реле 212, которое постоянно управляется контроллером 210 с целью облегчения генерации водорода и предотвращения существенного образования метана.

Контроллер 210 снабжается информацией обратной связи от газового детектора 206/208. При детекции следовых количеств метана между электродами 202 и 204 прикладывается напряжение в течение записанного периода времени до подавления образования метана. Время до нового образования следового количества метана отмечается контроллером 210 и используется рабочий цикл, включающий приложение напряжения между электродами 202 и 204 в течение несколько более длительного времени, чем время отмеченное для подавления образования метана с последующей нейтральной работой электродов в течение несколько меньшего времени, чем время отмеченное ранее, соответствующее определению следовых количеств метана.

Указанный рабочий цикл адаптивно изменяют с целью уменьшения времени приложения напряжения и увеличения времени между приложениями напряжения с целью минимизации образования метана, при максимизации образования водорода с приложением наименьшего напряжения к электродам 202 и 204. Значение напряжения уменьшают с появлением еще одной переменной величины и адаптивно регулируют в соответствие со временем приложения напряжения с целью уменьшения потребления энергии. Такой алгоритм адаптационный регулировки быстро приспосабливается к изменениям состава органического отхода, содержанию влаги, температуре и другим переменным.

На фигуре 12 изображен вариант выполнения изобретения, в котором топливный газ, получаемый способом настоящего изобретения в присутствии электродов 230 и 232, частично доступен для превращения в электричество с помощью топливного элемента или двигателя-генератора 240. Адаптивно регулируемое приложение напряжения к электродам 230 и 232 обеспечивается контроллером 236 и реле 234 в целях минимизации потребления энергии в расчете на терм получаемого водорода. Кроме этого адаптивный контроллер 236 обеспечивает алгоритм регулировки, позволяющий минимизировать образование метана и обеспечивать максимальное образование водорода. Соленоидный операционный клапан 238 регулирует подачу топливного газа по линии 242 к узлу преобразования энергии 240 таким образом, чтобы это соответствовало адаптивно регулируемому рабочему циклу и другим потребностям в электричестве, которое распределятся по изолированным кабелям 244. Необходимая мощность для перекачивания воды, обеспечения цикла тепло-накачка или генерации электричества в узле 240 может вырабатываться тепловым двигателем или генератором, топливным элементом, термоэлектрическим генератором или другими устройствами, преобразующими потенциальную энергию топлива в электричество.

Во многих приложениях предпочтительно использовать поршневой двигатель или генератор, которые заполняются топливом с использованием комбинированного топливного инжектора SmartPlug и работают с использованием системы зажигания, поскольку указанные элементы облегчают работу в чрезвычайно жестких условиях. Действие системы SmartPlug раскрыто в патентах США №№5394852 и 5343699 и такая система позволяет использовать смесь водорода и диоксида углерода в качестве очень низкосортного топлива без дополнительного кондиционирования, обеспечивая очень высокий термический к.п.д. и полноценную энергию по сравнению с работой двигателя на бензине или дизельном топливе. Этот факт является очень важным преимуществом для дистанционного действия и для снижения стоимости топлива и энергии в случае запрета на импорт ископаемых топлив.

Предпочтительное получение водорода обеспечивает термодинамические преимущества, базирующиеся на более быстром сгорании топлива, более широких пределах соотношения воздух/топливо в горючих смесях, причем с помощью системы SmartPlug двигатель работает практически без дроссельных потерь. Указанные термодинамические преимущества обусловливают более высокое среднее эффективное давление в тормозной системе (ВМЕР) при одинаковом выделении тепла в сравнении с бензиновым и дизельным топливом.

Как следует из Таблицы А, существует реальная возможность очистки окружающего воздуха с помощью двигателя-генератора, работающего на специальном водородном топливе, полученном из мусора или осадков сточных вод, в отличие от работы с использованием бензина в качестве топлива.

Таблица А
Газ НС (ч/млн) СО (ч/млн) NO (ч/млн)
Окружающий воздух 29 0,00 1,0
Выхлоп двигателя на водороде, холостой ход 18 0,00 1,0
Выхлоп двигателя на водороде, полная мощность 6 0,00 2,0
Выхлоп бензинового двигателя, холостой ход 190 25000 390
Выхлоп бензинового двигателя, полная мощность 196 7000 95
НС = углеводороды; СО = оксид углерода; NO = оксиды азота

На фигуре 13 изображена система, предназначенная для отделения диоксида углерода от водорода методом дифференциальной абсорбции диоксида углерода в такой подходящей среде, как вода или стерически затрудненный амин. В ходе работы такой системы газовая смесь, состоящая из водорода, диоксида углерода и небольших количеств азота и других газов, принудительно подается снизу водяного столба 302 высотой около 300 метров (1000') или более.

Газовая смесь подается ко дну трубы 304 с помощью подходящего насоса (не показан) и поступает в такую подходящую скрубберную зону, как спиральное ребро 306, которое присоединено к трубе 304 таким образом, что точка присоединения к трубе находится на возвышении по сравнению с любыми другими точками на элементе вращения, описывающем спиральную поверхность. В результате, по мере очистки газов абсорбирующей жидкостью, они поднимаются в направлении трубы 304. Диоксид углерода легко переходит в раствор при существующих в системе давлении и температуре. Водород, выходящий сверху спирали, поступает в трубу 308 и подается на поверхность для различных применений.

Как показано на чертеже, вода, обогащенная диоксидом углерода, проходит на поверхность по коаксиальной трубке 310. По мере уменьшения напорного давления, появляются пузырьки диоксида углерода, которые поднимаются вверх и создают смесь с низкой плотностью, поступающую в газосепараторную секцию 312, в которой более плотная вода, потерявшая способность удерживать диоксид углерода, возвращается в круговое пространство 302 и сливается на дно для замены двигающихся вверх запасов воды, поднимающихся по трубе 310. Диоксид углерода собранный наверху 310 отводится по трубе 314.

На фигуре 14 изображен вариант воплощения изобретения, в котором энергия, используемая для сжатия водорода и диоксида углерода, регенеративно вырабатывается детандером. Устройство 400 согласно данному варианту представляет собой простую систему преобразования энергии, объединяющую такие различные возобновляемые источники энергии, как сточные воды, мусор и сельскохозяйственные отходы с солнечной энергией для выработки электричества, водорода и диоксида углерода.

Во многих ситуациях и приложениях предпочтительно создавать давление на воду в подходящем сосуде 402 для обеспечения разделения по различным растворимостям с целью очистки водорода. В ходе работы рассматриваемой системы, смеси водорода с диоксидом углерода принудительно подаются по трубке 404 в автоклав 402 при номинальном давлении 3100 кПа (450 фунт/дюйм2). Предпочтительно использовать спиральный миксер, состоящий из спиральных ребер 406, обеспечивающих промывку газов по поверхности и создающих высокие соотношения поверхности к объему. По мере абсорбции диоксида углерода газовая смесь проходит большой путь через воду, вследствие чего водород собирается наверху спирального скруббера 406 и выводится по трубе 408. Как показано на чертеже, диоксид углерода абсорбируется в воде, а водород собирается наверху сепаратора 406.

Водород отводится по трубопроводу 408 для немедленного использования в двигателе или топливном элементе, либо в случае необходимости может храниться для будущего применения. Вода, насыщенная диоксидом углерода, отводится из абсорбера 402 по трубке 410 и подается в клапанный коллектор 426, который имеет регулирующие клапаны для подачи воды, обогащенной диоксидом углерода, в каждую из групп теплообменников 414, 416, 418, 420, 422 и 424. Каждый из теплообменников снабжен выходным соплом, которое нацелено на лезвия или лопасти каждого из соседних жидкостных роторных двигателей 430, 432, 434, 436, 438 и 440, которые передают работу на общий выходной вал.

Вода и раствор диоксида углерода под давлением быстро и принудительно подаются, например, в предварительно нагретый теплообменник 414 в результате кратковременного открытия контрольного клапана, обслуживающего элемент 414. Поскольку жидкость нагревается, ее температура и давление повышаются, вследствие чего жидкость испаряется и поступает с очень высоким импульсом в приводной двигатель 430. Каждая из других теплообменных камер получает порцию жидкости в рассчитанные моменты времени, вследствие чего можно считать, что мощность вала, связанного с группой двигателей, обладает многофазным крутящим моментом, например шестифазным, если каждый теплообменник получает порцию жидкости в различные моменты времени, или трехфазным, если два теплообменника заполняются одновременно. Подходящим потребителем выходной мощности жидкостного двигателя может служить генератор 428 или другие полезные нагрузки.

Предпочтительно, чтобы теплообменники были обеспечены концентрированным облучением от подходящего коллектора солнечного освещения, например, от гелиостата или изображенной на чертеже параболической тарелки 442. В том случае, когда солнечной энергии не хватает для операции по преобразованию энергии, дополнительное тепло может вырабатываться за счет сгорания в соответствующей горелке 448. Для рассматриваемого дополнительного обогрева предпочтительно использовать смеси диоксида углерода и водорода и/или другие горючие газы, выделяющиеся при анаэробном сбраживании органического материала.

После нагревания и расширения до подходящего низкого давления диоксид углерода поступает в трубу 458 и направляется в пункт подходящего применения. Вода конденсируется и собирается в резервуаре 450, который охлаждается противоточным теплообменником 456 в результате циркуляции подходящей теплообменной жидкости от пункта 446 до 456 с последующим выходом через 448 в подходящий согенератор. Холодная вода нагнетается насосом 454 и возвращается в автоклав 402, где вновь используется для удаления диоксида углерода и в цикле преобразования энергии.

Следующие ниже Примеры не ограничивают область изобретения и служат лишь его иллюстрацией.

Материалы и методы

Используемые электроды представляли собой стальные бруски длиной 300 мм, шириной 25 мм и толщиной 2,5 мм. Использовали также и другие металлические электроды, выполненные из свинца, меди, стали и латуни. Использовалась также пара электродов с указанными выше размерами из графита, пропитанного медью; заметного разрушения графитовых электродов не наблюдалось.

Образцы мусорных материалов брали с санитарной мусорной станции в Staten Island, New York с глубины залегания от 9,1 до 15,2 метров (30-50 футов). В естественном состоянии мусорные материалы продуцируют образование метана и диоксида углерода в качестве основных газов (в соотношении 55:35) по реакции метаногенеза и имеют рН 6,5-7,0.

Образцы сточных вод брали из первичного автоклава установки для переработки осадков сточных вод в Brooklyn, New York. В естественном состоянии осадки сточных вод продуцируют образование метана и диоксида углерода (в соотношении 65:30) в результате метаногенеза и имеют рН 7,0-7,5.

В одной из экспериментальных серий каждый образец изучали в трехгорлой колбе емкостью 800 мл, каждое из отверстий которой было закрыто резиновой пробкой. Через два из указанных отверстий вставляли электроды; третье отверстие снабжено стеклянной мерной трубкой, соединенной с газовым анализатором. Электроды параллельно присоединяли к батарее с напряжением 1,5 вольт, в результате чего подаваемый потенциал составлял около 3,0 вольт. Собранное устройство помещали в термостат при температуре 37°С или 55°С. Другие эксперименты проводили с использованием ферментора New Brunswick Fermenter, со стеклянным сосудом емкостью 6-8 л, в котором можно регулировать температуру и скорость перемешивания.

Пример 1

В качестве экспериментального контроля, свежеполученный осадок сточных вод в колбе емкостью 800 л помещали в инкубатор при 37°С. Как показано в Таблице 1 и на фиг.3, полученные газы содержали, главным образом, метан. 

Таблица 1

Получение метана и диоксида углерода
Дни % СН4 % CO 2 % N2
1 65 30 5
2 70 25 5
3 70 25 5
4 65 30 5
5 60 35 4
6 55 40 5

Пример 2

Осадок сточных вод из первичного автоклава помещали в колбу емкостью 800 л, которую, в свою очередь, помещали в предварительно нагретый инкубатор при 37°С. Образовывался газообразный метан. По достижению оптимального выхода метана через жидкость в колбе пропускали электрический ток. Постепенно производительность процесса по метану снижалась, и образовывался водород и диоксид углерода. Как показано в Таблице 2 и изображено на фигуре 4, образование метана подавлялось полностью при достижении максимальной производительности по водороду.

Таблица 2

получение водорода и подавление образования метана
Дни % CH4 % CO2 % H 2
1 60 35 -
2 70 25 -
3 * 45 25 20
4 25 28 46
5 5 30 60
6 Следы 30 68
* начало пропускания электрического тока

Пример 3

Осадок сточных вод из первичного автоклава помещали в колбу емкостью 800 мл, которую, в свою очередь, помещали в инкубатор при 37°С. Электрический ток пропускали через осадок при общем напряжении в 3 вольта от двух 1,5 вольтовых батарей, соединенных параллельно. С начала пропускания тока наблюдалось очень незначительное образование метана. Как следует из данных, представленных в Таблице 3 и изображенных на фигуре 5, в течение 3 дней производительность по водороду достигала максимального значения и образование метана практически полностью подавлялось.

Таблица 3

Получение водорода и диоксида углерода при подаче напряжения с начала опыта
Дни % Н 2 % CO2 % N2 % СН4
1 65 25 2 8
2 70 25 2 Следы
3 70 18 8 Следы
4 70 20 8 -
5 68 25 4 -

Пример 4

Образец осадка сточных вод помещали в 5 литровую колбу ферментора New Brunswick и вставляли 4 электрода. Через образец пропускали электрический ток (2,5 вольта, 0,05 ампера). Вначале наблюдалось образование только метана и диоксида углерода, при лишь незначительной генерации водорода. По мере увеличения напряжения до 4,0-4,5 вольта и силы тока до 0,11-0,15 ампер образование метана постепенно подавлялось, и, как показано в таблице 4, генерация водорода усиливалась. 

Таблица 4

Получение водорода и диоксида углерода из осадков сточных вод в 5-литровом сосуде
Дни % Н 2 % CO2 % N2 % СН4
1 - 30 12 50
2 5 35 8 46
3 4 30 6 60
5 25 30 5 40
6 48 25 5 20
7 60 20 2 8
9 70 25 4 следы

Пример 5

Мусорные материалы, полученные случайной выборкой из пробуренных скважин, подвергали исследованию на предмет определения наименьших затрат энергии в расчете на единицу произведенной энергии. Эксперименты проводили с использованием мусорных материалов (компостированные городские твердые отходы), находящихся в двух колбах емкостью 800 мл, содержащих (1) только мусорные материалы, (2) мусорные материалы, обработанные электричеством. Полученные результаты представлены в Таблицах 5 и 6, а также на фигурах 6 и 7.

Таблица 5

Получение газов из мусорных материалов
Дни % H2 % CO 2 % N2 % СН4
1 - - - -
2 - 3 10 -
3 - 20 8 10
5 - 40 6 50
6 - 30 5 63
7 - 30 5 60
8 - 35 4 60
9 - 35 5 62

 
Таблица 6

Получение газов из мусорных материалов, подвергнутых электрической обработке
Дни % H 2 % CO2 % N2 % СН4 Общий объем газа (см3)
1 53 - - - 95
2 72 8 13 - 302
3 76 17 6 - 500
4 75 18 6 - 600
5 72 18 6 - 450
7 72 18 6 - 600
9 65 18 14 - 500

Пример 6

Методику Примера 5 повторяли с использованием (1) только осадка сточных вод, (2) с использованием осадка сточных вод, обработанного электрическим током. Полученные результаты представлены в Таблицах 7 и 8, а также на фигуре 8.

Таблица 7

Получение газов из осадков сточных вод
Дни % Н2 % CO2 % N 2 % СН4 Общий объем газа (см3)
2 - 20 14 65 50
3 - 14 10 70 125
4 - 19 4 72 225
5 - 22 4 66 258
6 - 18 8 70 200
Таблица 8

Получение газов из осадков сточных вод, подвергнутых обработке электрическим током
Дни % H2 % CO 2 % N2 % СН4 Общий объем газа (см3)
2 65 28 4 8 85
3 70 20 2 Следы 200
4 70 18 8 Следы 310
5 70 20 2 - 330
6 68 22 4 - 258

Пример 7

Электрический ток пропускали через мусорные материалы, помещенные в сосуд емкостью 6 л, снабженный электродами, в результате подачи электрического потенциала в 3,5 вольта. Полученные результаты представлены в Таблице 9 и изображены на фигуре 9.

Таблица 9

Получение газов из мусорных материалов, находящихся в сосуде емкостью 6 л
Дни % H 2 % CO2 % N2 % СН4 Общий объем газа (см3)
1 75 Следы 12 - 100
2 70 5 10 - 1020
4 75 7 15 - 850
6 75 8 17 - 750
8 70 5 20 - 600

Пример 8

Мусорные материалы, находящиеся в 6-литровом сосуде, снабженном электродами, помещали в предварительно нагретый до 55°С инкубатор. Через 4 дня на электроды подавали электрический потенциал в 3,5 вольта. Полученные результаты представлены в Таблице 10 и изображены на фигуре 10.

Таблица 10

Получение газов из мусорных материалов
Дни % Н2 % CO2 % N 2 % СН4 Общий объем газа (см3)
1 - 5 - - 20
2 - 20 - 35 125
3 - 35 - 55 200
4          
5 * - 30 - 20 150
7 25 31 - 7 150
8 60 35 - Следы 250
9 68 31 - - 285
10 65 30 - - 200
* Начало подачи электрического тока

Аналогичные результаты были получены при смешивании относительно небольшого количества инокулята из осадков сточных вод со стойловыми удобрениями и сельскохозяйственными отходами. После инкубационных периодов, в ходе которых создавались анаэробные условия, наблюдалось образование метана и диоксида углерода, при незначительной генерации водорода. После подачи электрического потенциала в 2,0-5,0 вольт с целью генерации тока силой 0,10-0,20 ампер образование метана подавлялось, а водород образовывался в количествах, аналогичных указанным в Таблице 10. Аналогичные результаты также были получены при использовании инокулята из предыдущих опытов, описанных в Примере 4.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения газа из анаэробно разлагаемых органических материалов, включающий формирование реакционной смеси, содержащей указанные анаэробно разлагаемые органические материалы, приложение электрического потенциала к указанной реакционной смеси и сбор указанного газа, отличающийся тем, что для получения газа, содержащего повышенное количество водорода и пониженное количество метана по сравнению с газами, образующимися самопроизвольно из указанных анаэробно разлагаемых органических материалов, осуществляют прерывистую генерацию электрического тока с интервалами, определяемыми в соответствии с содержанием водорода и/или метана, детектируемым в газе, полученном из органического материала, при этом величина электрического потенциала составляет от 3 до 6 В.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что анаэробно разлагаемый органический материал включает анаэробно компостируемые целлюлозные материалы и/или анаэробно сброженные осадки сточных вод.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что электрический ток вырабатывают созданием электрического потенциала между электродами, контактирующими с органическим материалом.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть водорода, полученного из органического материала, используют в процессе преобразования энергии с целью обеспечения энергии для генерации электрического тока.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что диоксид углерода, полученный из органического материала, отделяют от водорода, полученного из органического материала в результате абсорбции диоксида углерода в находящейся под давлением жидкости, вследствие чего выделяемый водород собирается в соответствующих коллекторных средствах.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что находящаяся под давлением жидкость представляет собой водяной столб высотой, по меньшей мере, 300 м, имеющий температуру от 4 до 16°С.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что дросселируют находящуюся под давлением жидкость, содержащую диоксид углерода, с целью выделения диоксида углерода и передачи энергии двигателю.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что перед дросселированием находящейся под давлением жидкости, содержащей диоксид углерода, к ней подводят тепло.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что дросселированную жидкость подвергают последующему охлаждению, повышают ее давление и рециркулируют с целью дополнительной абсорбции диоксида углерода.

10. Устройство отделения диоксида углерода от других газообразных веществ, полученных при разложении органического материала, содержащее резервуарные элементы для помещения находящейся под давлением жидкости, обладающей преимущественной способностью к растворению диоксида углерода по сравнению с растворением в ней других газообразных веществ, питательные устройства, выполненные с возможностью ввода смеси, состоящей из диоксида углерода и других газообразных веществ, в нижнюю часть резервуаров, коллекторные элементы, выполненные с возможностью сбора других нерастворенных газообразных веществ из промежуточной части коллекторных средств, и средства для отвода жидкости, содержащей диоксид углерода, отличающееся тем, что резервуарные элементы имеют форму вертикальной колонны, содержащей, по меньшей мере, одно спиральное ребро, расположенное по оси колонны, причем вершина спирального ребра соединена с коллекторными элементами, а средства для отвода жидкости, содержащей диоксид углерода, и, предпочтительно, диоксида углерода выполнены в верхней части резервуарных элементов.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что колонна имеет высоту, по меньшей мере, 300 м.

12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительно включает средства контроля температуры в резервуарных элементах.

13. Устройство по п.10, отличающееся тем, что дополнительно содержит детандер, приспособленный для принятия находящейся под давлением жидкости, содержащей диоксид углерода, из средств для отвода жидкости.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что дополнительно включает средства сбора диоксида углерода, приспособленные для сбора диоксида углерода, выходящего из детандера.

15. Устройство по п.14, отличающееся тем, что дополнительно содержит нагревающие элементы, выполненные с возможностью нагрева жидкости, содержащей диоксид углерода, поступающей из отводящих средств в детандер, охлаждающие элементы и элементы для создания давления, соответственно выполненные с возможностью охлаждения и создания давления жидкости, собранной из детандера, а также средства ввода охлажденной и находящейся под давлением жидкости в нижнюю часть резервуарных элементов.

Версия для печати
Дата публикации 02.03.2007гг


вверх