УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ВОДОРОДА ИЗ СПГ

Использование водорода в перспективных двигательных установках транспортных средств требует его сжижения. Полезная модель направлена на объединение в одной энергетически автономной установке процессов синтеза и сжижения водорода, а также на повышение энергетической эффективности установки.
Существующие способы и устройства для получения водорода из синтез-газа в каталитическом реакторе представлены в следующих базовых патентах:
US 3361534 - Hydrogen production by steam reforming - 1968
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 6652830 - Catalysts reactors and methods of producing hydrogen via the water-gas shift reaction - 2003
US 6734137 - Method and catalyst structure for steam reforming of a hydrocarbon - 2004
US 6770186 - Rechargeable hydrogen-fueled motor vehicle - 2004
US 7008708 - System and method for early detection of contaminants in a fuel processing system -
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.
Принципиальная схема термоакустической установки для получения сжиженного водорода из СПГ представлена на Фиг.1. Установка состоит из следующих основных узлов:
1 - Вход природного газа при отсутствии подачи СПГ
2 - Горелка реактора для получения синтез-газа
3 - Стартовая горелка для нагревания горячего теплообменника термоакустического двигателя
4 - Реактор для получения синтез-газа
5 - Термоакустический двигатель теплового насоса
6 - Стартовая горелка для котла-испарителя воды
7 - Котел-испаритель воды с теплообменником
8 - Волновод термоакустического теплового насоса
9 - Блок выделения водорода из синтез-газа
10 - Термоакустический холодильник теплового насоса
11 - Вход воды
2
12 - Выход отходов (СО, СO)
13 - Выход сжиженного водорода
14 - Вход СПГ
2
2
Сжиженный природный газ 14 (СПГ) подается в ступень холодильника 10 термоакустического теплового насоса, имеющую температуру 110К регазификации сжиженного природного газа. Полученный газообразный метан поступает на вход каталитического реактора 4, и в горелки 2, 3, 6. Метан и водяной пар из котла-испарителя 7 в каталитическом реакторе 4 превращаются в синтез-газ, содержащий водород и отходы (СО, СO). Синтез-газ из каталитического реактора 7 последовательно пропускают через горячий теплообменник термоакустического двигателя 5 теплового насоса, теплообменник 7 котла-испарителя воды для каталитического реактора и узел 9 отделения водорода от отходов (СО, СO). Водород из узла 9 отделения поступает в холодильник 10 термоакустического теплового насоса, где и происходит его сжижение. Повышение эффективности работы холодильника теплового насоса обеспечивается путем отбора от него тепла, затрачиваемого на регазификацию сжиженного природного газа в теплообменнике 15 для регазификации сжиженного природного газа. Горелки 6 и 3 работают только в пусковом режиме. Тепловая энергия для привода термоакустического двигателя теплового насоса обеспечивается горячим синтез-газом из каталитического реактора, который подогревается горелкой 2. Получение пара в котле-испарителе воды 7 происходит за счет тепловой энергия синтез-газа на выходе из термоакустического двигателя.
Техническим результатом изобретения является обеспечение энергетической независимости установок для получения сжиженного водорода из СПГ, высокой надежности и низкой стоимости установок.
Изобретение обеспечивает многократное использование тепловой энергии горелки каталитического реактора на различных температурных ступенях, что обеспечивает высокую энергетическую эффективность установки.
Обозначения
1 - Вход природного газа при отсутствии подачи СПГ
2 - Горелка реактора для получения синтез-газа
3 - Стартовая горелка для нагревания горячего теплообменника термоакустического двигателя
4 - Реактор для получения синтез-газа
5 - Термоакустический двигатель теплового насоса
6 - Стартовая горелка для котла-испарителя воды
7 - Котел-испаритель воды с теплообменником
8 - Волновод термоакустического теплового насоса
9 - Блок выделения водорода из синтез-газа
10 - Термоакустический холодильник теплового насоса
11 - Вход воды
2
12 - Выход отходов (СО, СO)
13 - Выход сжиженного водорода
14 - Вход СПГ
15 - Теплообменник для регазификации СПГ