Термоакустическая установка для получения сжиженного водорода
Изобретение относится к технике получения и сжижения водорода. Полезная модель направлена на объединение в одной энергетически автономной установке процессов синтеза и сжижения водорода и повышение энергетической эффективности установки. Указанный технический результат достигается тем, что полученный из синтез-газа водород сжижают в термоакустическом холодильнике, который через волновод приводится в действие термоакустическим двигателем, в котором сжигается горючий газ, который остается после выделения водорода из синтез-газа. Таким образом, рационально используются отходы блока выделения водорода из синтез-газа, что существенно повышает КПД установки.
Использование водорода в перспективных двигательных установках транспортных средств требует его сжижения. Полезная модель направлена на объединение в одной энергетически автономной установке процессов синтеза водорода из воды и природного газа или СПГ и сжижения водорода.
Существующие способы и устройства для получения водорода из синтез-газа в каталитическом реакторе представлены в следующих базовых патентах:
US 3926583 - PROCESS FOR THE CATALYTIC STEAM - 1975
US 4021366 - Production of hydrogen-rich gas - 1977
US 4089941 - Steam reformer process for the production of hydrogen - 1978
US 4190641 - Method for producing hydrogen - 1980
US 4460704 - Catalyst for the production of hydrogen - 1984
US 4479925 - Preparation of ammonia synthesis gas - 1984
US 4522894 - Fuel cell electric power production - 1985
US 4581157 - Catalyst and steam reforming process - 1986
US 4618451 - Synthesis gas - 1986
US 4909808 - Steam reformer with catalytic combustor - 1990
US 4925456 - Process and apparatus for the production of synthesis gas - 1990
US 5110559 - Hydrogen generating apparatus - 1992
US 5181937 - Apparatus for production of synthesis gas - 1993
US 5226928 - Reforming apparatus for hydrocarbon - 1993
US 5300275 - Steam reforming - 1994
US 5458857 - Combined reformer and shift reactor - 1995
US 5679614 - Steam reforming catalyst and method of preparation - 1997
US 6162267 - Process for the generation of pure hydrogen for use with fuel cells - 2000
US 6245303 - Reactor for producing hydrogen from hydrocarbon fuels - 2001
US 6436363 - Process for generating hydrogen-rich gas - 2002
US 6506510 - Hydrogen generation via methane cracking - 2003
US 6517805 - Method and apparatus for producing hydrogen - 2003
US 6596423 - Method for low temperature catalytic production of hydrogen - 2003
US 6734137 - Method and catalyst structure for steam reforming of a hydrocarbon - 2004
US 6770186 - Rechargeable hydrogen-fueled motor vehicle - 2004
US 7074509 - Hydrogen generators for fuel cells - 2006
US 7335346 - Catalyst and method of steam reforming - 2008
Решение задачи создания энергетически автономной установки для синтеза и сжижения водорода путем объединения каталитического реактора и традиционного холодильника на основе компрессионной технологии сжижения требуют применения механических компрессоров, газотурбинных или электрических приводов.
Наличие движущихся механический частей и отсутствие энергетической автономности требуют больших энергозатрат на производство и сжижение водорода, не обеспечивают должной надежности и приводят к высокой стоимости установок.
Термоакустические тепловые насосы, в отличие от традиционных установок, не требуют применения механических компрессоров, газотурбинных или электрических приводов и подвода силового электроснабжения. В термоакустических тепловых насосах отсутствуют движущиеся механические части, что позволяет эффективно использовать их для получения сжиженного водорода.
Термоакустический тепловой насос описан в следующем патенте:
US 4398398 Acoustical heat pumping engine - 1983
Прототипом изобретения является патент US 3361534 - «Hydrogen production by steam reforming» (Получение водорода путем конверсии пара). Термоакустический тепловой насос состоит из термоакустического двигателя, волновода и термоакустического холодильника. Термоакустический двигатель приводится в действие подводом тепловой энергии к горячему теплообменнику. Акустические волны из термоакустического двигателя через волновод приводят в действие термоакустический холодильник.
Полезная модель направлена на объединение в одной энергетически автономной установке процессов синтеза и сжижения водорода и повышение энергетической эффективности установки.
Указанный технический результат достигается тем, что полученный из синтез-газа водород сжижают в термоакустическом холодильнике, который через волновод приводится в действие термоакустическим двигателем, в котором сжигается горючий газ, который остается после выделения водорода из синтез-газа. Таким образом, рационально используются отходы блока выделения водорода из синтез-газа, что существенно повышает КПД установки.
Принципиальная схема термоакустической установки для получения водорода представлена на Фиг.1. Установка состоит из следующих основных узлов:
1. Реактор каталитической автотермической конверсии
2. Блок циклической адсорбции (PSA)
3. Термоакустический двигатель
4. Волновод
5. Термоакустический холодильник
Полученный в реакторе 1 каталитической автотермической конверсии природного газа, воздуха и воды синтез-газ направляют в блок 2 циклической адсорбции (pressure swing adsorption, PSA), где происходит разделение потока синтез-газа на газообразный водород и остаточный газ. Газообразный водород сжижают в термоакустическом холодильнике 5, который через волновод 4 приводится в действие термоакустическим двигателем 3, в котором сжигается остаточный горючий газ.
Таким образом, рационально используются отходы блока выделения водорода из синтез-газа, что существенно повышает КПД установки.
Снижение себестоимости получаемого водорода достигается использованием в реакторе синтез-газа воздуха, а не кислорода, для производства которого необходимы дополнительные узлы. При этом поступающий вместе с воздухом азот играет положительную роль при сжигании остаточного горючего газа в горелке термоакустического двигателя, снижая температуру пламени до рабочего значения.
Техническим результатом изобретения является обеспечение энергетической независимости установок для получения сжиженного водорода из природного газа или СПГ, высокой надежности и низкой стоимости установок.
Обозначения
1. Реактор каталитической автотермической конверсии
2. Блок циклической адсорбции (PSA)
3. Термоакустический двигатель
4. Волновод
5. Термоакустический холодильник
1. Установка для для получения сжиженного водорода, имеющая реактор для получения синтез-газа, блок выделения водорода из синтез-газа и блок сжижения водорода, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности, для сжижения водорода используют термоакустический холодильник, приводом которого служит термоакустический двигатель, в котором сжигается поступающий из блока выделения водорода из синтез-газа монооксид углерода.
2. Установка для сжижения водорода по п.1, отличающаяся тем, что в качестве блока выделения водорода из синтез-газа используют установку циклической адсорбции (pressure swing adsorption, PSA).
