УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ВЫРАБОТКИ ГАЗООБРАЗНОГО ВОДОРОДА ЗА СЧЕТ ДЕГИДРОГЕНИЗАЦИИ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА
DEVICE AND METHOD OF PRODUCING HYDROGEN GAS BY HYDROCARBON FUEL DEHYDROGENATION

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию устройства для выработки газообразного водорода за счет дегидрогенизации углеводородного топлива. Устройство в соответствии с настоящим изобретением включает в себя топливный резервуар, который соединен с реактором при помощи магистрали подачи топлива, позволяющей подавать топливо в реактор от топливного резервуара, причем реактор имеет первую выпускную магистраль для возврата в топливный резервуар остаточного топлива, выработанного в ходе дегидрогенизации поданного топлива, при этом реактор взаимодействует с катализатором, если это необходимо.
Предпосылки к созданию изобретения
Известно, что газообразный водород, особенно для использования в топливных элементах, ранее получали за счет реформинга углеводородного топлива (бензин, дизельное топливо, керосин и т.п.) с использованием подходящего окислителя, такого как воздух или вода. При этом выделяются побочные продукты, в особенности оксид углерода и диоксид углерода, что требует проведения дорогого процесса очистки. Дополнительный недостаток такой выработки водорода на борту транспортного средства, например, за счет парового реформинга заключается в том, что этот процесс является относительно сложным, так как в нем приходится использовать воду, которую необходимо иметь на борту.
2
x
2
2
Из публикации ЕР 1069069 А2 известно устройство, в котором в отличие от обычно используемого процесса реформинга получают относительно чистый газообразный водород без получения СО, CO, NO или других нежелательных побочных продуктов, что позволяет исключить появление загрязнений в газообразном водороде. Так как газообразный водород также не разбавляется при помощи N или O, это преимущественно приводит к простой работе топливного элемента или другого потребителя газообразного водорода.
Однако недостатком устройства, известного из публикации ЕР 1069069 А2, является то, что оно имеет сложную, громоздкую конструкцию и низкий кпд.
Сущность изобретения
В связи с изложенным первой задачей настоящего изобретения является усовершенствование устройства такого рода, в частности, для выработки газообразного водорода на борту самолета, чтобы получить оптимизированное устройство, имеющее повышенный кпд и/или обеспечивающее увеличение выработки энергии. Другой задачей является создание возможно более гибкой конфигурации с малым весом и малым объемом.
Эта задача решена в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения при помощи устройства, которое характеризуется тем, что топливный резервуар находится в контакте с теплообменником как через магистраль подачи топлива, так и через первую выпускную магистраль реактора, причем жидкое топливо может быть предварительно нагрето при помощи теплообменника и подано в реактор через магистраль подачи топлива. Реактор включает в себя нагреватель, предназначенный для нагревания поданного жидкого топлива до температуры реакции, причем жидкое остаточное топливо, выработанное в ходе дегидрогенизации поданного в реактор топлива, может быть охлаждено при помощи теплообменника и возвращено в топливный резервуар, при этом реактор имеет вторую выпускную магистраль для удаления газообразного водорода (и любых имеющихся в нем загрязнений), выработанного в ходе дегидрогенизации поданного топлива.
Такое устройство не только имеет компактную конструкцию, так как отдельные компоненты эффективно объединены и/или интегрированы, в том числе реактор, нагреватель и блок для отделения выработанного газообразного водорода объединены технически простым образом, но и обеспечивает более высокую выработку энергии, так как это устройство основано на принципе противотока, то есть магистраль подачи топлива, которую используют для подачи топлива в реактор, и первая выпускная магистраль, которую используют для удаления остаточного топлива из реактора, являются частями теплообменника. За счет этого может быть оптимально использовано имеющееся в системе остаточное тепло. Так как топливный резервуар также соединен с теплообменником, также может быть использован холод холодного топлива, хранящегося в топливном резервуаре. Следовательно, очень большая доля полной энергии преимущественно остается в системе при таком ее построении.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что газообразный водород, который непосредственно удаляют из реактора через вторую выпускную магистраль, обычно имеет некоторую остаточную теплоту, которую обычно можно использовать в дальнейшем, например, в топливном элементе.
В соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения магистраль подачи топлива и первая выпускная магистраль также соединяют топливный резервуар с теплообменником, при этом топливо предварительно нагревают при помощи теплообменника и подают в реактор через магистраль подачи топлива, причем реактор также имеет нагреватель для нагревания поданного жидкого топлива до температуры реакции. Второй вариант отличается от первого варианта тем, что реакционная смесь газообразного водорода и остаточного топлива, выработанная в ходе дегидрогенизации поданного в реактор топлива, может быть подана для ее охлаждения в теплообменник через первую выпускную магистраль, так что газообразный водород и остаточное топливо, имеющие различные агрегатные состояния, могут быть отделены друг от друга за счет конденсации, причем первая выпускная магистраль может дополнительно иметь выпуск ниже по течению от теплообменника, предназначенный для выгрузки выработанного газообразного водорода, который потенциально содержит газообразные загрязнения.
В дополнение к уже обсуждавшимся выше преимуществам, связанным с увеличением выработки энергии при повышении кпд за счет соединения топливного резервуара и теплообменника и использования более компактной структуры устройства за счет встраивания нагревателя в реактор, еще одно преимущество второго варианта, в частности, заключается в том, что не создают проблем различные агрегатные состояния подаваемого в реактор топлива или остаточного топлива, выработанного в ходе дегидрогенизации, так как газообразный водород и газообразное или жидкое остаточное топливо могут быть легко разделены за счет конденсации при удалении выработанной реакционной смеси через первую выпускную магистраль и теплообменник. Дополнительное преимущество второго варианта заключается в том, что газообразный водород, выгружаемый (выпускаемый) через выпуск после теплообменника, является более холодным, чем газообразный водород, удаленный непосредственно из реактора в первом варианте. Такой более холодный газообразный водород, например, более удобно хранить на борту.
Дегидрогенизация углеводородного топлива, которую используют в соответствии с настоящим изобретением, основана на следующей эндотермической реакции:
n
x
2
n
x-2
CH->Н+CH
Это является реверсированием дегидрогенизации, которую обычно используют, и в основном позволяет вырабатывать чистый газообразный водород и ненасыщенные углеводороды, причем последние могут быть вновь поданы в топливный резервуар. Не все углеводороды преобразуются в ходе реакции, а, скорее, их часть, то есть достаточным является неполное преобразование. Это является привлекательным для выработки на борту, например на самолетах, вертолетах, автомашинах или других транспортных средствах, газообразного водорода, необходимого для работы дополнительных агрегатов, так как относительно малая потребность делает количественную реакцию неважной, а неиспользованная часть углеводородного топлива вместе с отходами и продуктами реакции насыщенных углеводородов может быть возвращена в топливный резервуар (или непосредственно в силовую установку или двигатель), что образует только небольшое и совершенно безопасное химическое изменение углеводородного топлива (= смеси различных углеводородов).
Так как газообразный водород, выработанный как в первом, так и во втором вариантах, обычно содержит газообразные загрязнения, его преимущественно направляют далее в блок очистки для удаления загрязнений, как это описано далее более подробно.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом настоящего изобретения первый и второй варианты могут быть объединены так, чтобы образовать как вторую выпускную магистраль в реакторе, так и выпуск ниже по течению от теплообменника, чтобы соответствующим образом удалять газообразный водород, причем вторая выпускная магистраль реактора и выпуск соединены друг с другом типично при помощи соответствующего клапана таким образом, что одновременно только одна из двух соответствующих линий может быть соединена с блоком очистки.
Это позволяет создать устройство, особенно подходящее для дегидрогенизации углеводородного топлива, причем, при необходимости, газообразный водород с некоторым остаточным теплом или холодный газообразный водород могут быть удалены. Также нет необходимости в модификации устройства, например, когда подогретое газообразное топливо подают в реактор или когда газообразное остаточное топливо вырабатывают в дополнение к газообразному водороду в ходе дегидрогенизации. Открывание и закрывание капана позволяет направлять полученный соответствующим образом газообразный водород с любыми имеющимися в нем загрязнениями в блок очистки для удаления загрязнений.
Мембрану преимущественно используют в блоке очистки для выделения загрязнений из газообразного водорода, поданного в блок очистки. Само собой разумеется, что для этого могут быть использованы и другие методы. Отделенный поток загрязнений затем преимущественно выгружают через выпуск загрязнений, а чистый газообразный водород выгружают через выпуск водорода.
Поток загрязнений, который выгружают через выпуск загрязнений блока очистки, преимущественно может быть вновь использован для нагревания реактора. Кроме потока загрязнений для нагревания реактора используют теплоту, вырабатываемую в процессе. Поток загрязнений также может быть направлен через турбину, если упомянуть только один из примеров его использования.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением преимущественно используют для выработки газообразного водорода на борту самолетов, вертолетов, автомашин или других транспортных средств.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением специально предназначено для выработки газообразного водорода на борту самолетов, причем реактор может быть преимущественно нагрет за счет отбираемого от компрессора воздуха (стравливаемого воздуха) или за счет отходящей теплоты турбины и/или топливного элемента. Это позволяет нагревать реактор особенно эффективным образом, так как при этом используют потоки теплоты, уже имеющиеся на самолетах.
В случае использования предлагаемого устройства на самолетах или вертолетах дополнительное преимущество дает использование разности давлений и/или температур на земле и в воздухе для фракционной перегонки углеводородного топлива, так как не требуются дополнительные затраты для разделения легкоколетучих образующих топлива от малолетучих образующих топлива. В частности, малолетучие образующие топлива могут быть использованы для дегидрогенизации, что преимущественно ведет к уменьшению массового расхода.
В способе выработки газообразного водорода с использованием устройства в соответствии с настоящим изобретением дегидрогенизацией углеводородного топлива, поданного в реактор, управляют так, чтобы вырабатывать газообразный водород, с одной стороны, и, с другой стороны, хранить в топливном резервуаре остаточное топливо, которое может быть перемешано с углеводородным топливом, причем указанный способ характеризуется тем, что газообразный водород, выработанный в реакторе в ходе дегидрогенизации поданного топлива, удаляют непосредственно из реактора через вторую выпускную магистраль и/или реакционную смесь, образованную из остаточного топлива и газообразного водорода, выработанного в реакторе в ходе дегидрогенизации поданного топлива, удаляют через первую выпускную магистраль и охлаждают при помощи теплообменника, чтобы отделить газообразный водород от остаточного топлива, при этом отделенный газообразный водород с любыми имеющимися в нем загрязнениями удаляют через выпуск, предусмотренный в первой выпускной магистрали и расположенный ниже по течению от теплообменника.
2
x
Такой способ позволяет не только осуществлять эффективную выработку газообразного водорода без создания СО, СО или NO, но также позволяет облегчить, по желанию, удаление газообразного водорода, все еще имеющего остаточную теплоту, или газообразного водорода, который уже был охлажден, за счет чего обеспечивается высокая гибкость системы.
Далее настоящее изобретение будет описано со ссылкой на приложенные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан первый вариант настоящего изобретения.
На фиг.2 схематично показан второй вариант настоящего изобретения.
На фиг.3 схематично показан третий вариант настоящего изобретения.
На всех чертежах аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.
Подробное описание изобретения
R
R
R
R
n
x
2
n
x-2
2
x
На фиг.1 схематично показан первый вариант настоящего изобретения. Устройство выработки газообразного водорода за счет дегидрогенизации углеводородного топлива включает в себя топливный резервуар 1 для углеводородного топлива (например, керосина, бензина или дизельного топлива). При использовании устройства для выработки газообразного водорода на борту самолета топливо, которое хранят в топливном резервуаре 1, представляет собой жидкий керосин, например, который в ходе полета типично имеет температуру около -60°С. Топливный резервуар 1 соединен с реактором 4 при помощи магистрали 2 подачи топлива. Одновременно топливный резервуар 1 соединен с теплообменником 6 при помощи магистрали 2 подачи топлива так, что производится предварительный нагрев топлива, подаваемого в реактор 4, до температуры ниже температуры T реакции. Таким образом, топливо предварительно нагревается при проходе через теплообменник 6 и поступает в реактор 4, в котором предварительно нагретое поданное топливо обычно имеет жидкое агрегатное состояние. Реактор 4 дополнительно содержит нагреватель 5, который служит для нагревания поданного жидкого топлива до температуры T реакции, которая типично составляет около 400°С. Нагрев обычно является локальным, то есть только топливо в нагревателе 5 нагревается до температуры T реакции для выработки газообразного водорода, причем остаток поданного в реактор 4 топлива остается в жидком агрегатном состоянии и имеет более низкую температуру (<T). В результате в реакторе 4 вырабатывают двухфазную смесь, состоящую из газообразного водорода и жидкого остаточного топлива, в соответствии с уравнением реакции CH->H+CH. Эта дегидрогенизация представляет собой частичную или неполную дегидрогенизацию, так как преобразуется только часть топлива, при этом за счет реакции получают другие (ненасыщенные) углеводороды в качестве остаточных компонентов. Такое намеренное неполное преобразование углеводородов в газообразный водород совершенно достаточно для решения поставленных задач, так как высокий выход газообразного водорода здесь не является важным, учитывая ожидаемые большие размеры топливного резервуара. В отличие от использовавшегося ранее процесса реформинга преимущественно не создаются вредные образующие, такие как, например, СО, СО или NO. Приведенная выше реакция также может поддерживаться при помощи катализатора (например, при помощи катализатора из металлов или оксидов металлов).
Так как такие реакционные компоненты, как газообразный водород и остаточное топливо присутствуют в различном агрегатном состоянии, то газообразный водород легко может быть удален при помощи второй выпускной магистрали 7, предусмотренной в реакторе 4. Удаленный газообразный водород обычно содержит загрязнения, которые удаляют при пропускании газообразного водорода через блок 8 очистки. Например, это может быть осуществлено при помощи мембраны, имеющейся в блоке 8 очистки. Само собой разумеется, что могут быть использованы и другие известные методы очистки. Блок 8 очистки имеет выпуск 8а для удаления очищенного газообразного водорода, а также второй выпуск 8b для удаления загрязнений. Жидкое остаточное топливо, которое остается в реакторе 4 в ходе дегидрогенизации, охлаждают и возвращают в топливный резервуар 4 через первую выпускную магистраль 3, которая является частью теплообменника 6, так же как и магистраль 2 подачи топлива. Тот факт, что как магистраль 2 подачи топлива, так и первая выпускная магистраль 3 являются частью теплообменника 6, позволяет иметь эффективный обмен энергией, причем теплообменник 6 работает в соответствии с принципом противотока. Так как топливный резервуар 1 также находится в контакте с теплообменником 6, холод топливного резервуара 1 также может быть эффективно использован для охлаждения остаточного топлива, подаваемого в топливный резервуар 1 через первую выпускную магистраль. Это также помогает повысить выработку энергии в системе.
R
R
R
На фиг.2 показан второй вариант устройства в соответствии с настоящим изобретением. Как и в первом варианте, здесь предусмотрен топливный резервуар 1, который соединен с реактором 4 при помощи магистрали 2 подачи топлива и теплообменника 6. Углеводородное топливо, подаваемое в реактор 4 от топливного резервуара 1 при помощи магистрали 2 подачи топлива, нагревается при помощи нагревателя 5 до температуры T реакции, как и в первом варианте. Однако углеводородное топливо, которое хранится в топливном резервуаре 1, во втором варианте может иметь как жидкую, так и газообразную форму несмотря на то, что оно обычно имеет жидкое агрегатное состояние при использовании типичного углеводородного топлива, такого как керосин, бензин или дизельное топливо. Топливо предварительно нагревают и подают в реактор 4, причем оно также может иметь как жидкую, так и газообразную форму. Топливо нагревают в реакторе 4 при помощи нагревателя 5 до температуры T реакции (около 400°С) и проводят его дегидрогенизацию в соответствии с приведенным выше уравнением реакции таким образом, чтобы получить газообразный водород и остаточное топливо. В зависимости от того доведено ли поданное топливо до температуры T реакции только локально, как в первом варианте, или в объеме всего реактора 4, остаточное топливо может иметь газообразное или жидкое агрегатное состояние. Однако в отличие от первого варианта полученную реакционную смесь газообразного водорода и остаточного топлива удаляют через первую выпускную магистраль 3 и охлаждают при помощи теплообменника 6. Охлаждение позволяет разделять газообразный водород от остаточного топлива, причем первая выпускная магистраль 3 имеет выпуск 9 ниже по течению от теплообменника 6, через который выгружают полученный газообразный водород и любые имеющиеся в нем загрязнения. Конденсированное жидкое остаточное топливо вновь возвращают в топливный резервуар 1 в том случае, если в топливном резервуаре 1 хранят жидкое топливо. В том случае если топливо в топливном резервуаре 1 является газообразным, это невозможно и для этого проводят другую операцию. Так как газообразный водород, выгружаемый через выпуск 9, обычно имеет загрязнения, он может быть вновь направлен в блок 8 очистки, который, как и раньше, отделяет загрязнения, так что чистый газообразный водород выгружают через выпуск 8а, а загрязнения выгружают через выпуск 8b.
Больше энергии рекуперируют в способе в соответствии со вторым вариантом по сравнению с первым вариантом, причем газообразный водород, выгружаемый через выпуск 9 или выпуск 8а, первоначально может храниться в топливном элементе для дальнейшего использования, так как он более холодный, чем газообразный водород, полученный в первом варианте.
Само собой разумеется, что два описанных здесь выше варианта (фиг.1 и фиг.2) также могут быть объединены, в результате чего получают третий вариант настоящего изобретения, показанный на фиг.3. Как это показано на фиг.3, реактор 4 имеет как вторую выпускную магистраль 7 для удаления непосредственно из реактора 4 газообразного водорода, выработанного в реакторе 4 в ходе дегидрогенизации, так и выпуск 9, предусмотренный в первой выпускной магистрали 3 и расположенный ниже по течению от теплообменника 6. Вторая выпускная магистраль 7 и выпуск 9 здесь соединены при помощи клапана 10, так что одновременно только одна из соответствующих линий может быть подключена к блоку 8 очистки. Блок 8 очистки в этом случае имеет такую же конструкцию и работает так, как уже было описано здесь ранее. Третий вариант позволяет комбинировать различные преимущества первого и второго вариантов, причем, при необходимости, газообразный водород, все еще имеющий остаточную теплоту, или холодный газообразный водород, может быть удален из устройства.
Настоящее изобретение преимущественно используют для выработки газообразного водорода на борту воздушного судна (самолета и вертолета), автомашины или другого транспортного средства. В случае использования на самолете отбираемый от компрессора воздух, имеющийся на самолете, преимущественно используют для нагревания реактора. Альтернативно отходящая теплота турбины и/или топливного элемента также может быть использована для нагревания реактора. Таким образом, имеющиеся на самолете источники теплоты могут быть эффективно использованы для выработки на борту газообразного водорода. Кроме того, поток загрязнений, полученный с выхода блока 8 очистки, также может быть использован для нагревания реактора. Для этого сжигают поток загрязнений и используют полученную теплоту для нагревания реактора 4. Альтернативно поток загрязнений также может быть использован для приведения в действие турбины.
Для снижения полного массового расхода углеводородов, необходимых для дегидрогенизации при использовании устройства в соответствии с настоящим изобретением на самолетах или вертолетах, разность давлений и/или температур на земле и в воздухе может быть использована для фракционной перегонки керосина, чтобы отделить легколетучие компоненты от малолетучих компонентов керосина, причем только малолетучие компоненты топлива используют затем для дегидрогенизации, за счет чего снижают массовый расход.