ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БЕМИТА И ВОДОРОДА

Полезная модель относится к области водородной энергетики, более конкретно, к комбинированным энерготехнологическим установкам для комплексного производства компримированного водорода и кондиционного бемита при гидротермальном окислении порошкообразного алюминия. Предложенное техническое решение может найти применение при создании мобильных энерготехнологических систем и установок для целей водородной энергетики и промышленной технологии бемита.
В последние годы в области водородной энергетики наблюдается прогресс в разработке автономных экологически чистых энергоустановок. Применение водорода в качестве топлива для этих установок обеспечивает их высокий термический КПД и благоприятные экологические показатели. Поскольку хранение и транспортировка водорода связаны с серьезными техническими проблемами представляет интерес создание энерготехнологических установок, систем и комплексов для производства водорода на месте его потребления, в том числе, при гидролизе порошкообразного алюминия в реакторе высокого давления с последующим комплексным использованием водорода и побочных продуктов реакции в новых или традиционных энергогенерирующих и энерготехнологических установках небольшой мощности.
Водород широко используется в различных отраслях промышленности, в том числе, как эффективный восстановитель, в качестве топлива в ракетной технике, а в перспективе - и на транспорте. Гидроксиды алюминия в виде бемитов являются ценными продуктами гидротермального окисления алюминия и используются в различных отраслях промышленности в качестве абсорбентов, катализаторов, исходного материала для производства корунда и др. Однако традиционные способы и устройства для реализации промышленного производства водорода (конверсия или электролиз), а также бемита энергозатраты, трудоемки и, как правило, не обеспечивают достижение высокой чистоты целевых продуктов без специальных мероприятий (см., например, патент США №т5225229, кл. 423/629, опублик. 06.07.1993).
Известна установка для реализации способа получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода, содержащая смеситель, реактор высокого давления, снабженный форсункой, обеспечивающей распыление суспензии порошкообразного алюминия в воде при диаметре капель не более 100 мкм, отстойник для гидроксидов или оксидов алюминия и конденсатор (см. патент RU №2223221, МПК CO1F 7/42, опублик. 10.02.2004).
2
В известной установке готовят суспензию порошкообразного алюминия (размер частиц не более 20 мкм) в дистиллированной воде при соотношении Al:HO=1:4-16 мас.ч., которую непрерывно подают в реактор высокого давления, где указанную суспензию распыляют при диаметре капель не более 100 мкм в воду при соотношении количеств суспензии и воды в реакторе 1:50-100 мас.ч. После выхода из реактора высокого давления парогаз подают в конденсатор и из него выводят водород, а гидроксид или оксид алюминия направляют в приемное устройство. При регулировании параметров реактора в известной установке (температура, давление, весовое соотношение участвующих в реакции алюминия и воды) возможно одновременное получение водорода и необходимых форм гидроксидов алюминия бемитной и байеритной формы.
В известной установке обеспечивается сравнительно высокая чистота целевых продуктов, однако регулирование давления и температуры в реакторе путем непрерывного отвода продуктов реакции в виде пароводородной смеси, гидроксидов и оксидов алюминия представляет собой серьезную техническую проблему, поскольку соотношение между давлением, температурой и массой отводимых ингредиентов, определяется, в том числе, парциальными давлениями насыщенного водяного пара и водорода, массой вводимого алюминия, температурой в рабочем объеме реактора, его свободным объемом и некоторыми другими факторами.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является энерготехнологическая установка для реализации способа получения кристаллического гидроксида алюминия в виде бемита и водорода (см. патент RU №2363659, МПК CO1F 7/42, опублик. 10.08.2009, бюл. №22 - прототип).
Особенностью известной энерготехнологической установки для получения бемита и водорода является то, что она содержит регулируемый источник суспензии порошкообразного алюминия в воде с добавкой раствора катализатора в виде гидроксида щелочного металла, средства для регулируемой подачи суспензии, по крайней мере, в один реактор высокого давления, вывода из него паро-водородной смеси и бемита, конденсации водяного пара, сепарации водорода и управления работой установки.
Известная установка обеспечивает непрерывное получение полностью окристаллизованного по своей структуре гидроксида алюминия в виде бемита (AlOOH) и водорода при использовании порошков алюминия с размерами частиц до 60 микрон. К недостаткам известной установки следует отнести отсутствие в ее блок-схеме средств для очистки и обессоливания воды, доосушки компримированного водорода, отвода выделяющегося в агрегатах тепла и возврата конденсированной воды в технологический цикл. Кроме того, отсутствие в известной установке средств для оперативного контроля уровня реакционной зоны в реакторе высокого давления, в свою очередь, может привести к разрегулированию процесса окисления алюминия. Указанные факторы снижают надежность и безопасность работы комбинированной энерготехнологической установки и уменьшают эффективность использования энергии гидротермального окисления алюминия при получении компримированного водорода и гидроксидов алюминия в форме товарного бемита.
Решаемой задачей предложенной полезной модели является создание эффективной комбинированной энерготехнологической установки, максимально использующей энергию гидротермального окисления алюминия для получения компримированного водорода и гидроксидов алюминия в форме товарного бемита высокой чистоты.
Достигаемый технический результат заключается в устранении указанных недостатков известных технических решений, в повышении надежности и безопасности эксплуатации энерготехнологической установки путем изменения технологической схемы ее функционирования и введения дополнительных средств для очистки и обессоливания воды и конденсата, доосушке компримированного водорода, отвода выделяющегося в агрегатах тепла и возврата конденсированной воды в технологический цикл. Дополнительным техническим результатом является упрощение обслуживания установки и сокращение времени технологического цикла производства целевых продуктов за счет эффективного регулирования основных параметров процесса гидротермального окисления алюминия.
Указанный технический результат достигается тем, что в энерготехнологической установке для получения бемита и водорода, содержащей регулируемый источник суспензии порошкообразного алюминия в воде с добавкой раствора катализатора в виде гидроксида щелочного металла, средства для регулируемой подачи суспензии, по крайней мере, в один реактор высокого давления, вывода из него паро-водородной смеси и бемита, конденсации водяного пара, сепарации водорода и управления работой установки, согласно полезной модели, регулируемый источник суспензии содержит соединенные со смесителем первый блок для водоподготовки, второй блок для ввода раствора катализатора и третий блок для ввода порошкообразного алюминия, при этом первый блок включает последовательно соединенные устройство для обессоливания воды, первую накопительную емкость, первый сетчатый фильтр и первый регулируемый дозировочный насос, выход которого соединен с первым входом смесителя, второй блок включает последовательно соединенные вторую накопительную емкость для подготовки раствора катализатора и второй регулируемый дозировочный насос, выход которого соединен с вторым входом смесителя, третий блок включает последовательно соединенные третью накопительную емкость для порошкообразного алюминия, устройство для его вакуумной транспортировки и шнековый дозатор с регулируемой производительностью, выход которого соединен с третьим входом смесителя; средство для регулируемой подачи подготовленной суспензии выполнено, по крайней мере, для двух реакторов высокого давления и включает регулируемый насос высокого давления, вход которого соединен с выходом смесителя, а выход соединен через первый и второй дистанционно управляемые клапаны с распылительными форсунками на входе первого и второго реакторов высокого давления, выходы которых по паро-водородной смеси соединены через третий и четвертый дистанционно управляемые клапаны и охладитель-теплообменник для начального охлаждения паро-водородной смеси с входом водоотделителя, выход которого по паро-водородной смеси соединен с входом сепаратора водорода; выход сепаратора по водороду соединен через пятый дистанционно управляемый клапан с входом балонной рампы для хранения и передачи водорода потребителю, а выходы водоотделителя и сепаратора по конденсату соединены через второй и третий сетчатые фильтры с дополнительными входами первой накопительной емкости для обессоленной воды, причем выходы реакторов высокого давления по бемиту соединены через шестой и седьмой дистанционно управляемые клапаны с входом четвертой накопительной емкости для аккумулирования и осушки бемита, выход которой по бемиту соединен через регулируемый насос выгрузки с входом участка для хранения бемита, выход четвертой накопительной емкости по водяному пару соединен с входом двухсекционного конденсатора, выход которого по конденсату соединен через четвертый сетчатый фильтр с дополнительным входом первой накопительной емкости для обессоленной воды; средства для управления работой установки включают пульт управления, снабженный программируемым микроконтроллером, входы которого соединены с выходами датчиков расхода обессоленной воды, раствора катализатора и порошкообразного алюминия, с выходами датчиков уровня реакционной зоны в реакторах высокого давления и с выходами датчиков температуры, давления и расхода паро-водородной смеси, конденсата и водорода, а управляющие выходы микроконтроллера соединены с входами указанных регулируемых насосов и дистанционно управляемых клапанов.
Кроме того, энерготехнологическая установка может содержать средства для охлаждения и утилизации выделяющегося тепла от реакторов высокого давления, охладителя-теплообменника, водоотделителя, сепаратора водорода, четвертой накопительной емкости и двухсекционного конденсатора, а также средства для продувки трубопроводных трактов и агрегатов установки азотом.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания комбинированной энерготехнологической установки, максимально использующей энергию гидротермального окисления алюминия, а также достичь указанный технический результат, заключающийся в повышении надежности и безопасности функционирования установки при одновременном упрощении ее обслуживания и сокращении времени технологического цикла производства целевых продуктов высокой чистоты.
На фиг.1 представлена принципиальная блок-схема предложенной энерготехнологической установки для получения бемита и водорода.
Энерготехнологическая установка содержит реакторы 1, 2 высокого давления для гидротермального окисления алюминия, регулируемый источник 3 суспензии порошкообразного алюминия в воде с добавкой раствора катализатора в виде гидроксида щелочного металла. Источник 3 суспензии содержит соединенные со смесителем 4 первый блок 5 для водоподготовки, второй блок 6 для ввода раствора катализатора и третий блок 7 для ввода порошкообразного алюминия. Первый блок 5 включает последовательно соединенные устройство 8 для обессоливания воды, первую накопительную емкость 9, первый сетчатый фильтр 10 и первый регулируемый дозировочный насос 11, выход которого соединен с первым входом смесителя 4.
Второй блок 6 включает последовательно соединенные вторую накопительную емкость 12 для подготовки раствора катализатора и второй регулируемый дозировочный насос 13, выход которого соединен с вторым входом смесителя 4. При приготовлении суспензии порошкообразного алюминия с обессоленной водой в ее состав вводят микродобавку растворимого в воде катализатора в виде гидроксида щелочного металла в пределах мольной концентрации 0,1М и менее. При характерных рабочих температуре и давлении в реакторах 1, 2 скорость химической реакции взаимодействия алюминия с водой в присутствии катализатора существенно возрастает, причем эффект влияния катализатора проявляется сильнее для крупнодисперсных порошков вплоть до 60 мкм. Третий блок 7 включает последовательно соединенные третью накопительную емкость 14 для порошкообразного алюминия, устройство 15 для его вакуумной транспортировки и шнековый дозатор 16 с регулируемой производительностью, выход которого соединен с третьим входом смесителя 4.
Средство для регулируемой подачи подготовленной в смесителе 4 суспензии выполнено для двух реакторов 1, 2 высокого давления и включает регулируемый насос 17 высокого давления, вход которого соединен с выходом смесителя 4, а выход соединен через первый и второй дистанционно управляемые клапаны 18, 19 с распылительными форсунками на входе первого и второго реакторов 1, 2 высокого давления. Выходы реакторов 1, 2 по паро-водородной смеси соединены через третий и четвертый дистанционно управляемые клапаны 20, 21 и охладитель-теплообменник 22 для начального охлаждения паро-водородной смеси с входом водоотделителя 23, выход которого по паро-водородной смеси соединен с входом сепаратора 24 водорода. Выход сепаратора 24 по водороду соединен через пятый дистанционно управляемый клапан 25 с входом балонной рампы 26 для хранения и передачи водорода потребителю.
Выходы водоотделителя 23 и сепаратора 24 по конденсату соединены через второй и третий сетчатые фильтры 27, 28 с дополнительными входами первой накопительной емкости 9 для обессоленной воды. Выходы реакторов 1, 2 высокого давления по бемиту соединены через шестой и седьмой дистанционно управляемые клапаны 29, 30 с входом четвертой накопительной емкости 31 для аккумулирования и осушки бемита. Выход накопительной емкости 31 по бемиту соединен через регулируемый насос 32 выгрузки с входом участка 33 для хранения товарного бемита. Выход накопительной емкости 31 по водяному пару соединен с входом двухсекционного конденсатора 34, выход которого по конденсату соединен через четвертый сетчатый фильтр 35 с дополнительным входом первой накопительной емкости 9 для обессоленной воды.
Средства для управления работой установки включают пульт управления 36, снабженный программируемым микроконтроллером (не показан), входы которого соединены с выходами датчиков расхода (не показаны) обессоленной воды, раствора катализатора и порошкообразного алюминия, с выходами датчиков 37 уровня реакционной зоны в реакторах 1, 2 высокого давления и с выходами датчиков температуры, давления и расхода паро-водородной смеси, конденсата и водорода (не показаны). Управляющие выходы микроконтроллера соединены с входами регулируемых насосов 11, 13, 17, 32 и дистанционно управляемых клапанов 18, 19, 20, 21, 25, 29, 30. На фиг.1 поз.38 обозначен электронагреватель для предварительного подогрева корпусов реакторов 1, 2.
Энерготехнологическая установка также содержит средства для отвода тепла от реакторов 1, 2 высокого давления, охладителя-теплообменника 22, водоотделителя 23, сепаратора 24 водорода, четвертой накопительной емкости 31 и двухсекционного конденсатора 34 (не показаны). Кроме того, установка может содержать средства для утилизации отводимого тепла и средства для продувки трубопроводных трактов и агрегатов установки азотом (не показаны). Указанные на фиг.1 агрегаты и трубопроводные тракты для транспортировки воды, раствора катализатора, порошкообразного алюминия, паро-водородной смеси, конденсата, водорода и бемита также содержат вспомогательную пускорегулирующую арматуру, включающую систему запорных, обратных и дополнительных регулируемых клапанов, обеспечивающих технологическое и сервисное обслуживание установки в период наладки и при пусках (не показаны).
Для реализации непрерывного режима работы в технологическую схему предложенной установки введены, по крайней мере, два реактора высокого давления 1, 2, в которых осуществляется повторение циклов последовательной закачки исходной суспензии. Продолжительность поступления суспензии порошкообразного алюминия в каждый реактор одинакова и выбирается такой, чтобы процессы образования и вывода бемита в реакторах заканчивались к моменту подачи исходной суспензии. Число дополнительных реакторов может быть увеличено и определяется суммарным временем подачи исходных компонентов, продолжительностью выдержки для окисления порошкообразного алюминия и кристаллизации бемита.
Энерготехнологическая установка фунционирует следующим образом.
Исходными данными, определяющими основные технические характеристики предложенной энерготехнологической установки, являются расход порошкообразного алюминия, рабочая температура в реакторе и время выдержки, необходимое для завершения реакции. Характерные значения теплофизических параметров в реакторе: температура 300-350°С, давление 10,0-17,0 МПа, при этом гидротермальная реакция окисления алюминия сопровождается выделением значительной энергии на уровне 15 кДж на 1 г алюминия. Время пребывания порошкообразного алюминия в реакторе выбирается из условия ограничения в нем концентрации твердых продуктов реакции, при этом микроконтроллер должен обеспечивать оптимальную циклограмму подвода суспензии и отвода продуктов реакции из реактора. При работе установки в штатном режиме уровень реакционной зоны в ракторе должен находиться в оптимальных пределах, соответствующих положению датчиков уровня и программе микропроцессора.
Для подготовки суспензии порошкообразного алюминия в воде с добавкой раствора катализатора в первом блоке 5 регулируемого источника 3 суспензии с помощью устройства 8 осуществляется обессоливание или деионизация исходной водопроводной воды до заданной степени обессоливания и ее аккумулирование в первой накопительной емкости 9. Подготовка раствора катализатора осуществляется в блоке 6 во второй накопительной емкости 12 путем растворения гидроксида щелочного металла в обессоленной воде до заданной мольной концентрации.
Подача обессоленной воды с смеситель 4 из первой накопительной емкости 9 осуществляется через первый сетчатый фильтр 10 с помощью первого регулируемого дозировочного насоса 11, а раствора катализатора из второй накопительной емкости 12 осуществляется с помощью второго регулируемого дозировочного насоса 13. При этом в смеситель 4 одновременно подается порошкообразный алюминий из третей накопительной емкости 14 с помощью устройства 15 для его вакуумной транспортировки и шнекового дозатора 16 с регулируемой производительностью. Регулирование расходов воды, раствора катализатора и порошкообразного алюминия при их подаче в смеситель 4 осуществляется посредством управляющих сигналов от микроконтроллера с пульта управления 36 в соответствии с заданной программой подготовки суспензии с учетом текущих результатов гидротермального окисления алюминия в реакторах 1, 2.
Регулируемая подача в первый и второй реакторы 1, 2 подготовленной в смесителе 4 суспензии порошкообразного алюминия в воде с добавкой раствора катализатора осуществляется с помощью регулируемого насоса 17 высокого давления, вход которого соединен с выходом смесителя 4, а выход соединен через первый и второй дистанционно управляемые клапаны 18, 19 с распылительными форсунками на входе указанных реакторов 1, 2 высокого давления. Управление работой насоса 17 высокого давления также осуществляется по управляющим сигналам микроконтроллера от пульта управления 36 с учетом изменяющихся параметров процесса (давление и температура в рабочем объеме реакторов, масса отводимых ингредиентов, парциальное давление водяного пара и водорода и др.).
Паро-водородная смесь из реакторов 1, 2 поступает через третий и четвертый дистанционно управляемые клапаны 20, 21 в охладитель-теплообменник 22 для начального охлаждения паро-водородной смеси. Затем охлажденная паро-водородная смесь поступает через водоотделитель 23 на вход сепаратора 24 водорода. Компримированный водород, уходящий из сепаратора 24 поступает через пятый дистанционно управляемый клапан 25 на вход балонной рампы 26 для хранения и передачи потребителю.
Конденсат из водоотделителя 23 и сепаратора 24 поступает через второй и третий сетчатые фильтры 27, 28 на входы первой накопительной емкости 9 для обессоленной воды. По мере накопления бемита в реакторах 1, 2 высокого давления он поступает через шестой и седьмой дистанционно управляемые клапаны 29, 30 на вход четвертой накопительной емкости 31 для аккумулирования и осушки бемита. Затем из накопительной емкости 31 бемит поступает с помощью регулируемого насоса 32 выгрузки на вход участка 33 для хранения товарного бемита. Водяной пар из накопительной емкости 31 поступает на вход двухсекционного конденсатора 34, конденсируется и далее поступает через четвертый сетчатый фильтр 35 в первую накопительную емкость 9 для компенсации потерь обессоленной воды.
Отводимое тепло от агрегатов установки, в частности, от реакторов 1, 2 высокого давления, охладителя-теплообменника 22, водоотделителя 23, сепаратора 24 водорода, четвертой накопительной емкости 31 и двухсекционного конденсатора 34 в предложенной энерготехнологической установке может направляться, например, на вентиляторную градирню или полезно использоваться для выработки электроэнергии, отопления или технологических целей.
Контроль параметров агентов, транспортируемых по соответствующим трактам обессоленной воды, раствора катализатора, порошкообразного алюминия, паро-водородной смеси, водорода и бемита осуществляется с помощью упомянутых дистанционных датчиков давления, температуры и расхода. Результаты измерений и показания датчиков фиксируются микроконтроллером на пульте управления 36 и используются для выработки управляющих сигналов и поддержания рабочих режимов процесса гидротермального окисления алюминия. Пускорегулирующая арматура, включающая систему указанных дистанционно управляемых клапанов, обеспечивает штатную работу установки и ее функционирование в нештатных ситуациях. Перед началом работы трубопроводные тракты и агрегаты установки продувкаются азотом.
В последние годы в ОИВТ РАН были проведены экспериментальные и теоретические исследования теплофизических и физико-химических процессов, связанных с гидротермальным окислением порошкообразного алюминия и его сплавов. Проведенные исследования позволили выяснить ряд важных факторов, учтенных при разработке и создании предложенной энерготехнологической установки для получения бемита и водорода, которая характеризуется высокой производительностью и экологической безопасностью.