PL209944B1 - Układ do produkcji wodoru - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do produkcji wodoru. Znajduje on zastosowanie do wytwarzania wodoru jako nośnika energii, np. w ogniwach paliwowych.

Konwencjonalne technologie produkcji wodoru, takie jak gazyfikacja węgla, klasyczny reforming węglowodorów i elektroliza wody są kosztowne oraz prowadzą do emisji gazów uciążliwych dla środowiska naturalnego. Z tego powodu rozwijane są nowe metody produkcji wodoru, takie jak fotoliza, metody biologiczne oraz metody plazmowe.

Znany jest z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO03/078308 sposób produkcji wodoru z węglowodoru, np. oleju napędowego, w którym obróbce plazmowej z zastosowaniem wyładowania barierowego poddaje się mieszaninę paliwa węglowodorowego z tlenem i parą wodną. Układ do realizacji tego sposobu ma reaktor wytwarzający plazmę poprzez wyładowanie barierowe połączony z kompaktowym katalitycznym reaktorem generującym ciepło w procesie spalania, z którego wyjścia gorących gazów dołączone są do wymienników ciepła, w których dokonuje się odparowania oleju napędowego i wody. Część oleju napędowego kierowana jest przewodem do spalania w kompaktowym katalitycznym reaktorze, a część doprowadzana jest innym przewodem do reaktora plazmy, do którego wejścia doprowadzony jest także tlen. Układ zawiera również generator prądu zasilający komorę elektrolizy oraz skraplacz do wytwarzania wody. Znane jest także z międzynarodowego zgłoszenia patentowego WO2007/116225 rozwiązanie, w którym łączy się paliwo węglowodorowe z gazem zawierającym zarówno tlen, jak i parę wodną i mieszaninę tę przeprowadza się przez plazmę wytwarzaną w mikrofalowym generatorze plazmy między przeciwległymi elektrodami. Układ zawiera źródło węglowodorów, wody i powietrza, których wyjścia dołączone są poprzez urządzenie mieszające do generatora plazmy, w którym przynajmniej jedna elektroda zawiera kanał do wypływu z obszaru plazmy gazów wyjściowych, które zawierają tlenek węgla i wodór.

Wadą znanych metod i układów do konwersji węglowodorów, w tym także metod plazmowych, jest towarzysząca im emisja szkodliwych związków tlenowych, ponieważ konwersji poddawana jest w nich mieszanina wę glowodorów z powietrzem i parą wodną .

Układ do produkcji wodoru według wynalazku, zawierający źródło plazmy z doprowadzeniem węglowodoru na wejściu, którego wyjście połączone jest poprzez filtr sadzy z urządzeniem separującym charakteryzuje się tym, że doprowadzenie węglowodoru zaopatrzone jest w pierwszy regulator masowego natężenia przepływu, a jedno z wyjść urządzenia separującego połączone jest z doprowadzeniem węglowodoru przed pierwszym regulatorem masowego natężenia przepływu.

Układ zaopatrzony jest w zamknięty obieg azotu, w którym doprowadzenie azotu połączone jest poprzez drugi regulator masowego natężenia przepływu ze źródłem plazmy, a jedno z wyjść urządzenia separującego połączone jest z doprowadzeniem azotu przed drugim regulatorem masowego natężenia przepływu.

Źródłem plazmy w układzie jest mikrofalowe urządzenie plazmowe.

Zaletą rozwiązania według wynalazku jest duża sprawność energetyczna procesu produkcji wodoru przy braku emisji uciążliwych dla środowiska związków tlenowych, takich jak CO, CO2, NO, NO2.

Przykładowa realizacja wynalazku pokazana jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ogólny schemat ilustrujący sposób wytwarzania wodoru, a fig. 2 przedstawia schemat przykładowego układu.

Układ do produkcji wodoru składa się z mikrofalowego urządzenia plazmowego MUP, urządzenia separującego US, filtru sadzy SF, pierwszego i drugiego regulatora masowego natężenia przepływu gazu MFC1, MFC2 oraz doprowadzenia węglowodoru 1 i doprowadzenia azotu 2. Doprowadzenie węglowodoru 1 i doprowadzenie azotu 2 dołączone są do wejścia mikrofalowego urządzenia plazmowego MUP za pośrednictwem odpowiednio pierwszego regulatora masowego natężenia przepływu gazu MFC1 i drugiego regulatora masowego natężenia przepływu gazu MFC2. Urządzenie separujące US ma cztery wyjścia: jedno odprowadza wodór -podstawowy produkt wyjściowy konwersji, drugie wyjście odprowadzające węglowodór, który nie uległ konwersji w plazmie, połączone jest z głównym doprowadzeniem węglowodoru 1, przed pierwszym regulatorem masowego przepływu gazu MFC1. Kolejne wyjście, odprowadzające azot, połączone jest z głównym doprowadzeniem azotu 2, przed drugim regulatorem masowego przepływu gazu MFC2. W przykładowym rozwiązaniu węglowodorem podlegającym reformingowi jest metan. Do mikrofalowego urządzenia plazmowego MUP doprowadza się za pomocą falowodu mikrofale, które wytwarzają plazmę P. Do mikrofalowego urządzenia plazmowego MUP doprowadza się także metan oraz azot jako gaz stabilizująco-chłodzący. Z mieszaniny

PL 209 944 B1 gazowych produktów wyjściowych konwersji, która zachodzi w obszarze plazmy, najpierw odfiltrowuje się sadzę, a następnie oddziela się w urządzeniu separującym US czysty wodór od pozostałych gazowych produktów obróbki plazmowej. W urządzeniu separującym wydziela się także metan, który nie uległ konwersji i kieruje się go z powrotem do obszaru plazmy P oraz odzyskuje się azot, który kieruje się ponownie do mikrofalowego urządzenia plazmowego MUP. Produkowany w plazmie acetylen może być także odzyskiwany za pomocą urządzenia separującego US i wykorzystywany do zastosowań przemysłowych. Urządzeniem separującym może być adsorbent zmiennociśnieniowy lub filtr membranowy. Regulatory masowego przepływu gazów MFC1, MFC2 ustalają wymagane natężenia przepływu metanu i azotu, wprowadzanych do plazmy wyładowania mikrofalowego. Przy natężeniu przepływu metanu 1751/min i mocy mikrofal 3000 W, szybkość produkcji wodoru i sprawność energetyczna z wykorzystaniem przedstawionego rozwiązania wyniosły odpowiednio 255 g[H2]/h i 85 g[H2]/kWh. Szybkość produkcji wodoru można zwiększać przez zwiększenie natężenia przepływu metanu i/lub równoległe zastosowanie większej liczby mikrofalowych urządzeń plazmowych.

Urządzenie do generacji wyładowania mikrofalowego może być w innych wariantach rozwiązania zastąpione urządzeniem plazmowym do generacji innych rodzajów wyładowań, takich jak wyładowanie łukowe, ślizgające się wyładowanie łukowe, wyładowanie o częstotliwości radiowej. W niektórych rodzajach wyładowań może nie występować potrzeba stosowania gazu stabilizującochłodzącego, wtedy rezygnuje się z obiegu azotu. Źródłem wodoru w przedmiotowym rozwiązaniu mogą być oprócz metanu także inne węglowodory, np. nafta, etan, etanol, metanol, gaz ziemny itp.

Claims (4)

1. Układ do produkcji wodoru zawierający źródło plazmy z doprowadzeniem węglowodoru na wejściu, którego wyjście połączone jest poprzez filtr sadzy z urządzeniem separującym, znamienny tym, że doprowadzenie węglowodoru (1) zaopatrzone jest w pierwszy regulator masowego natężenia przepływu (MFC1), a jedno z wyjść urządzenia separującego (US) połączone jest z doprowadzeniem węglowodoru (1) przed pierwszym regulatorem masowego natężenia przepływu (MFC1).

2. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że zaopatrzony jest w zamknięty obieg azotu, w którym doprowadzenie azotu (2) połączone jest poprzez drugi regulator masowego nat ężenia przepływu (MFC2) ze źródłem plazmy, a jedno z wyjść urządzenia separującego (US) połączone jest z doprowadzeniem azotu (2) przed drugim regulatorem masowego natężenia przepł ywu (MFC2).

3. Układ według zastrz.

4 lub 5, znamienny tym, że źródłem plazmy (P) jest mikrofalowe urządzenie plazmowe (MUP).