Безуглеродная диссоциация воды и сопутствующее получение водорода и кислорода
[img]
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку][img]
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку][img]
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку][img]
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку][img]
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]Приоритетной по отношению к настоящей заявке является предварительная заявка на патент США №60/929643, поданная 6 июля 2007 г., содержание которой полностью включается в настоящий документ путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в одном из аспектов, относится к устройству для возбуждения пространственного поля плазмы с целью диссоциации воды на элементарный водород и воду. В другом аспекте настоящее изобретение относится к способам диссоциации воды с целью производства элементарного водорода и воды. В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к получению энергии из водорода, образовавшегося в поле плазмы.
Уровень техники
За последние десять лет водород стал серьезно рассматриваться как источник энергии. В какой-то момент выяснилось, что водород представляет собой великолепный возобновляемый, экологически чистый энергоноситель будущего. Стоимость нефти, используемой для выработки энергии и на транспорте, постоянно увеличивается. Например, в США каждый год импортируют нефть на сотни миллиардов долларов.
Водород не имеет цвета, запаха, вкуса, нетоксичен, что отличает его от всех других повсеместно используемых сегодня видов топлива. Водород является предпочтительным топливом для использования в энергетических топливных элементах, выбросы которых составляет только вода и некоторое количество тепла. Подобным образом, когда водород сжигают в двигателе внутреннего сгорания, его выбросами являются только вода и тепло. Кроме того, водород пригоден как топливо, которое может заменить топлива на основе углеводородов на крупных электростанциях, а также в большинстве других энергетических систем, работающих на углеводородах.
Водород это химический элемент, причем самый широко распространенный во Вселенной элемент. Водород присутствует в воде и, в той или иной форме, во всех живых существах. Это и самый простой, и легкий элемент, имеющий только один протон и один электрон. Хотя водород есть везде и всюду, он редко может быть обнаружен в свободной или элементарной форме. Он соединяется с другими элементами и образует самые обычные вещества, такие как вода, сахара, углеводороды и углеводы.
Приблизительно 95% элементарного водорода в настоящее время производится путем парового реформинга природного газа на нефтеперерабатывающих заводах. К несчастью, в процессе парового реформинга используются невозобновляемые ископаемые топлива, и образуются загрязняющие выбросы с высоким содержанием углерода. Следовательно, в качестве перспективной цели экономического развития и производства чистой энергии желательно осуществлять производство водорода, используя возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или Солнца, биомасса (растительная энергия) и даже вода.
Два наиболее подходящих возобновляемых источника энергии для производства водорода из названных трех это биомасса и вода. Ни одному из них не свойственна высокая эффективность, если использовать известные на сегодня процессы, характеризующиеся низкой производительностью и малым объемным выходом водорода.
Биомасса (то есть растительный материал) это возобновляемый источник энергии, из которого с использованием органических процессов получают водород экологически чистым способом. На большей части территории США имеется изобилие биомассы, в том числе отходы заводов по производству сахара, консервных заводов, заводов по производству этанола и биодизельного топлива. Долгосрочные демонстрационные проекты показывают, что методы переработки органической биомассы (с использованием ферментов, катализаторов, ферментации и водорослей) в будущем могут быть применены на возобновляемой основе для производства водорода. Богатые сахарами отходы дают больше всего водорода, и считается, что первые установки промышленного масштаба смогут производить ограниченные объемы водорода через пять-десять лет.
Из воды водород может быть произведен при помощи процесса электролиза. При электролизе водород получают путем пропускания через воду электрического тока, вызывающего диссоциацию на водород и кислород. Однако при этом потребляется значительное количество электроэнергии, и при использовании самых распространенных источников электроэнергии (то есть сжигания угля, нефти или газа) образуется, по меньшей мере, некоторое количество загрязняющих выбросов. Если электроэнергия обеспечивается за счет энергии ветра или Солнца, водород получают, по существу, без сопутствующего загрязнения окружающей среды. К несчастью, количество электроэнергии, получаемой с использованием ветра или солнечной энергии, ограничено, поэтому основной источник электроэнергии, доступной для производства водорода, это, главным образом, ископаемые топлива с сопутствующими углеродсодержащими выбросами. Целью Правительства США и промышленности является отыскание более эффективных и экологически чистых устройств и способов производства водорода в больших объемах и, соответственно, энергии.
Известные сейчас способы производства водорода огранивают какое-либо значимое использование водорода в качестве источника энергии из-за высокой стоимости и ограниченных производственных возможностей. Пока производственных мощностей или систем распределения водорода недостаточно для того, чтобы полностью отказаться от использования угля, топливной нефти, дизельного топлива, бензина и природного газа, как источников энергии. Технология переоборудования электростанций, нагревательных систем и промышленных предприятий на сжигание водорода, а не ископаемых топлив, легкодоступна, однако, ограниченное наличие водорода резко тормозит любое такое усовершенствование, несмотря на привлекательность в экологическом аспекте и с точки зрения снижения зависимости страны от нефти.
Кроме того, уже давно признано, что многие транспортные проблемы, в том числе значительный уровень загрязнения выбросами автотранспорта, могут быть ослаблены или сняты, если будет найден способ увеличения эффективности и объемов производства дешевого водорода. Вполне возможно переоборудовать современные двигатели внутреннего сгорания для использования водородного топлива, как это повсеместно осуществляется в случае автотранспорта, работающего на пропане и природном газе. Однако значительным лимитирующим фактором является отсутствие удобной возможности получения водорода. Также полагают, что следующей ближайшей стадией может стать смешивание водорода с ископаемыми топливами, так как при этом не нужно независимых систем распределения. Добавление водорода к ископаемому топливу может улучшить рабочие характеристики и уменьшить загрязнение. Однако совершение даже этого простого шага тормозится из-за ограниченных производственных мощностей, высокой стоимости и рисков производства и распределения водорода.
С точки зрения производственных мощностей, количества водорода, производимого в настоящее время в США ежегодно согласно опубликованным данным, едва достаточно для работы на водороде приблизительно 1 миллиона автомобилей в течение примерно трех дней. Даже при условии производства достаточного объема водорода транспортировка и распределение водорода также могут ограничивать его использование. После производства водород необходимо сжать в газообразном состоянии или охладить до жидкого состояния (-253°С), хранить в тяжелых баллонах и затем перевозить к месту использования. Сжатие, хранение и транспортировка водорода, по существу, увеличивают расходы, создают угрозу безопасности и затрудняют функционирование систем распределения, если необходимо перемещать к месту использования большие объемы. При имеющихся на сегодняшний день технологиях и нарастании использования водорода инфраструктура, производство и системы распределения должны быть кардинально расширены. В качестве альтернативы, необходимо создать новые технологии как для существенного увеличения эффективного производства водорода, так и упрощения способов распределения водорода.
Стоимость является существенным фактором, ограничивающим использование каких-либо процессов с участием водорода, особенно, производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Сейчас производство водорода из возобновляемых источников энергии стоит в несколько раз больше, чем из ископаемого топлива. А также в несколько раз дороже (в расчете на выделенную энергию) производить водород из ископаемых топлив. Очевидно, что стоимость производства водорода может в будущем только постепенно расти (по сравнению с ископаемыми топливами), так как в промышленности пытаются снизить экологические последствия путем производства водорода из возобновляемых источников энергии. Основной целью устройств и способов настоящего изобретения является снижение стоимости и загрязняющих выбросов при производстве водорода и энергии на основе водорода по сравнению и с ископаемым топливом, и с возобновляемыми источниками энергии.
Следовательно, было бы желательно наличие устройства и способа эффективного и экономичного производства водорода и возможности производства водорода вблизи места его использования. Также было бы желательно наличие устройства и способа обеспечения источника энергии на основе водорода.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на устройство и способ производства водорода путем диссоциации воды и на производство энергии из диссоциированного водорода. В настоящем изобретении используется плазменный генератор, пригодный для создания зоны высокотемпературной плазмы высокой энергии. Этот плазменный генератор может быть использован для осуществляемой на месте диссоциации воды на элементарные газы с целью обеспечения готового источника водорода. Этот плазменный генератор также может быть использован для производства энергии на основе водорода. Путем использования среды плазмы (то есть четвертого состояния вещества) может быть высвобождена энергия связанно-свободных состояний молекулы воды. Известно, что диссоциация воды происходит при высокой температуре в соответствии с равновесием:
2Н 2 О ↔ 2Н 2 + О 2
Стандартная свободная энергия Гиббса образования воды (g) составляет -228,61 кДж/моль, указывая на то, что для осуществления диссоциации энергия должна быть подведена к системе. Это также говорит о том, что чем выше температура, тем больше степень диссоциации и тем меньше количество оставшейся Н2О.
В устройстве и способе настоящего изобретения диссоциация воды происходит при очень высокой температуре (обычно более 9000°С) в среде, которая представляет собой четвертое состояние вещества, то есть в плазме. В силу особой природы этой высокотемпературной плазменной дуги в ней энергетический уровень молекулы может быть изменен на новый энергетический уровень. Продукт воздействия плазменной дуги содержит большое количество элементарного водорода и кислорода, являющихся результатом диссоциации значительной доли воды, введенной в плазменную дугу. Получающиеся водород и кислород существуют при измененной свободной энергии образования. Помимо элементарного водорода и кислорода, в потоке продукта также содержится любой материал, использованный для облегчения вовлечения сырья в дугу, такой как водяной пар или инертные газы. Предпочтительно, материалы, используемые для облегчения вовлечения сырья в дугу, позволяют использовать водород в качестве топлива без дополнительной обработки.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ и устройство предусматривают использование топлива на основе водорода (такого как вода) для производства элементарного водорода и энергии в среде, которая допускает осуществление реакций диссоциации за миллисекунды. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения для образования пространственной автономной реакционной зоны используется электроэнергия. К преимуществам устройства и способа настоящего изобретения относится высокая пропускная способность сырья относительно электроэнергии, потребляемой в данном процессе. Чистый выход представляет собой прирост выходной мощности (в BTU) вследствие высвобождения энергии, заключенной в молекуле воды.
Устройство настоящего изобретения, вообще, включает один или более катодов, предпочтительно один катод, и один или более анодов. В одном из вариантов осуществления изобретения данное устройство включает один катод и три анода, расположенные по окружности на равном расстоянии вокруг катода. Аноды отстоят от катода на расстояние, допускающее образование между катодом и анодами зоны проводимости столбчатой формы. Предусмотрены средства обеспечения потока хладагента через катодный и анодный электроды и патрубки, окружающие катод и анод(ы), во время работы устройства.
Катодный электрод обычно представляет собой цилиндрическое тело с верхней частью, как правило, конической формы и проводящим наконечником. Катод окружен патрубком, который образует первый газовый канал для катода и второй наружный канал для водяного пара.
Во время работы между катодом и анодом(ами) пропускают электрический ток с целью возбуждения высокотемпературного, высокоэнергетического индуцируемого магнитным полем удерживающего поля с целью эффективного восстановления воды до элементарного газообразного водорода и кислорода. В наконечник катода через первый проток, образуемый в патрубке катода, подают газ, предпочтительно инертный газ, такой как аргон, защищающий проводящий наконечник, предпочтительно, изготовленный из вольфрама. Этот газ сильно ионизируется и образует плазменный столб. Через второй проток в патрубке подают водяной пар, нагнетаемый в удерживающее поле в зоне плазмы, где температура максимальна (обычно от 20000°F до 40000°F (11093-22204°С)). Вода диссоциирует на элементарный водород и кислород.
Образующийся водород может быть использован для выработки энергии на основе водорода или как химическое сырье. Целью настоящего изобретения также является решение ограничивающих производство проблем и снижение затрат, связанных с традиционным производством водорода, как описано выше. Целью настоящего изобретения также является существенное сокращение использования любых ископаемых топлив, сжигаемых с целью выработки электроэнергии, необходимой для производства водорода в устройствах настоящего изобретения. И еще одной целью устройства и способа настоящего изобретения является создание водородного пламени (воспламененного газообразного водорода), пригодного для производства тепла в количестве, достаточном для работы всех типов традиционных энергетических систем, таких как системы выработки электроэнергии и котлы центрального парового отопления (то есть от небольших устройств в индивидуальных домах до крупных промышленных систем), а также большинства других устройств, которые работают на других типах горючего топлива. Еще одной целью настоящего изобретения также является получение всех полезных результатов выработки тепла, описанных выше, при меньших эксплуатационных затратах, чем в случае ископаемого топлива или других углеродных горючих топлив, и полное предотвращение всех углеродсодержащих выбросов, сопряженных с выработкой энергии.
Еще одной целью устройства и способа настоящего изобретения является обеспечение возможности производства водорода и выработки энергии на основе водорода в месте использования или спроса и устранение необходимости сжимать и транспортировать водород при помощи распределительной системы. Однако, если нужно, водород, произведенный посредством устройства и способа настоящего изобретения, может быть сжат, подвергнут хранению и транспортировке, эффективно и в большом объеме при низкой стоимости.
Цели и преимущества, описанные выше, достигаются при помощи особых устройства и способа, которые предусматривают создание чрезвычайно высокотемпературного удерживающего поля, в котором формируется, по меньшей мере, одна особая точка, являющаяся входом в высокоэнергетическое удерживающее поле.
[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть эту ссылку]
Форум 
Портал 
Последние изображения 
Регистрация 
Вход 
Чт 10 Июл 2014 - 12:54
