RU2521632C1 - Method of producing hydrogen from water - Google Patents
Method of producing hydrogen from water Download PDFInfo
- Publication number
- RU2521632C1 RU2521632C1 RU2012148150/05A RU2012148150A RU2521632C1 RU 2521632 C1 RU2521632 C1 RU 2521632C1 RU 2012148150/05 A RU2012148150/05 A RU 2012148150/05A RU 2012148150 A RU2012148150 A RU 2012148150A RU 2521632 C1 RU2521632 C1 RU 2521632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water vapor
- inert gas
- hydrogen
- oxidation
- iron oxide
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis
Landscapes
- Catalysts (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к способу получения водорода из воды и может быть использовано в химической промышленности, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии и как источник топлива в транспортных и стационарных энергоустановках.The invention relates to a method for producing hydrogen from water and can be used in the chemical industry, as well as in energy storage and transport systems and as a fuel source in transport and stationary power plants.
С начала 20-го века основная технология производства водорода из воды была основана на т.н. железо-паровом методе, по которому пар при 500-1000°С пропускают над железом: 3Fe+4Н2О→Fe3O4+4Н2+160,67 кДж. Получаемый этим методом водород обычно используют для гидрогенизации жиров и масел. Состав оксида железа зависит от температуры процесса; при <560°С преобладает Fe3O4, выше 560°С возрастает доля FeO. Поскольку восстановление исходного железа из образовавшихся оксидов железа обычно проводили коксом, углем или водяным газом (смесь СО и H2), то небольшую примесь СО в производимом водороде удаляли, пропуская нагретую смесь Н2+СО над катализатором. При этом СО превращается в метан СН4.Since the beginning of the 20th century, the basic technology for the production of hydrogen from water has been based on the so-called iron-steam method, in which steam at 500-1000 ° C is passed over iron: 3Fe + 4Н 2 О → Fe 3 O 4 + 4Н 2 +160.67 kJ. Hydrogen obtained by this method is usually used for the hydrogenation of fats and oils. The composition of iron oxide depends on the process temperature; at <560 ° С Fe 3 O 4 prevails, above 560 ° С the proportion of FeO increases. Since the reduction of the initial iron from the formed iron oxides was usually carried out with coke, coal or water gas (a mixture of CO and H 2 ), a small admixture of CO in the hydrogen produced was removed by passing a heated mixture of H 2 + CO over the catalyst. In this case, CO is converted to methane CH 4 .
Известен способ получения водорода, включающий взаимодействие водяного пара с элементарным железом и/или с его низшим окислом в кипящем слое при 500-650°С, давлении 0.1-0.4МПа, регенерацию образующихся окислов железа контактированием их с твердым углеродосодержащим материалом при 800-1100°С с получением газов регенерации и восстановленных окислов железа и возврат последних на стадию взаимодействия, газы регенерации возвращают на стадию регенерации [патент РФ №1125186, МПК С01В 3/10, опубл. 23.11.1984 г., БИ №43, «Способ получения водорода», авторы Лебедев В.В. и др.]. Недостатками способа являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также расход твердого углеродосодержащего материала.A known method of producing hydrogen, including the interaction of water vapor with elemental iron and / or with its lower oxide in a fluidized bed at 500-650 ° C, a pressure of 0.1-0.4 MPa, the regeneration of the formed iron oxides by contacting them with solid carbon-containing material at 800-1100 ° With obtaining regeneration gases and reduced iron oxides and returning them to the interaction stage, the regeneration gases are returned to the regeneration stage [RF patent No. 1125186, IPC
Известен также способ получения водорода, заключающийся в конверсии перегретого насыщенного водяного пара в реакторе с электродами, отличающийся тем, что в реактор периодически вводят железную проволоку, которую пропускают между электродами в среде перегретого насыщенного водяного пара, на электроды периодически подают электрический разряд напряжением 45 кВ и периодически производят взрыв проволоки на мельчайшие жидкие частицы металла, которые вступают в реакцию с парами воды, образуя окислы железа и газообразный водород [патент РФ №2424973, МПК С01В 3/10, опубл. 27.07.2011, Бюл. №21, «Способ получения водорода», авторы Носырев Д.Я., Плетнев А.И. - прототип]. Недостатками способа также являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также необходимость производства железной проволоки и электроэнергии высокого напряжения.There is also known a method of producing hydrogen, which consists in the conversion of superheated saturated water vapor in a reactor with electrodes, characterized in that an iron wire is periodically introduced into the reactor, which is passed between the electrodes in an environment of superheated saturated water vapor, an electric discharge of 45 kV is periodically supplied to the electrodes and periodically produce a wire explosion on the smallest liquid metal particles that react with water vapor, forming iron oxides and hydrogen gas [RF patent No. 2424973, IPC
В патенте RU 2415072, опубл. 27.11.2010, изложен способ получения газообразного водорода из состава, предназначенного для получения газообразного водорода, включает в себя по весу 40-70% окиси кальция (СаО) в виде порошка, 2-20% хлорида кальция (CaCl2), хлорида магния (MgCl2) или бикарбоната натрия (NaHCO3) в виде порошка, 6.7-30% алюминия или окиси алюминия (Al2O3) в виде порошка и 0.001-10% железа или магния в виде порошка, при котором 56 граммов окиси кальция (СаО) и 2 моля, то есть 36 граммов, воды (Н2О) вступают в реакцию для получения 2 граммов газообразного водорода (Н2). Объем 2 граммов газообразного водорода составляет 22,4 литра при температуре 0°С и 1 атмосфере (нормальное состояние), и, следовательно, 35,7 грамма (примерно 400 литров) газообразного водорода будет выработано из 1 кг окиси кальция. Недостатками способа также являются сложность процесса, низкая производительность, большие энергозатраты, а также расход твердого материала - окиси кальция (СаО). Для разложения (восстановления) оксидов металлов (кальций, цинк, марганец, железо, церий) предлагались различные солнечные печи, см., например, Thermodynamic Analysis of Cerium-based Oxides for Solar Thermochemical Fuel Production, Scheffe J., Steinfeld A. Energy & Fuels, Vol.26, pp.1928-1936, 2012, однако недостатком таких печей является крайне низкая объемная производительность, связанная с прохождением реакции разложения, в основном, на освещаемой солнцем поверхности, что ограничивает сферу применения такой технологии. Недостатком также является и необходимость поддержания крайне низкого давления в печи в связи с необходимостью применения кварцевого стекла для пропускания солнечной энергии внутрь печи.In patent RU 2415072, publ. November 27, 2010, a method for producing hydrogen gas from a composition intended to produce hydrogen gas is described, comprising by weight 40-70% calcium oxide (CaO) in the form of a powder, 2-20% calcium chloride (CaCl 2 ), magnesium chloride ( MgCl 2 ) or sodium bicarbonate (NaHCO 3 ) in the form of a powder, 6.7-30% of aluminum or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) in the form of a powder and 0.001-10% of iron or magnesium in the form of a powder, in which 56 grams of calcium oxide ( CaO) and 2 moles, i.e. 36 grams, of water (H 2 O) are reacted to produce 2 grams of hydrogen gas (H 2 ). The volume of 2 grams of hydrogen gas is 22.4 liters at a temperature of 0 ° C and 1 atmosphere (normal state), and therefore, 35.7 grams (approximately 400 liters) of hydrogen gas will be generated from 1 kg of calcium oxide. The disadvantages of the method are the complexity of the process, low productivity, high energy consumption, as well as the consumption of solid material - calcium oxide (CaO). Various solar furnaces have been proposed for the decomposition (reduction) of metal oxides (calcium, zinc, manganese, iron, cerium), see, for example, Thermodynamic Analysis of Cerium-based Oxides for Solar Thermochemical Fuel Production, Scheffe J., Steinfeld A. Energy & Fuels, Vol.26, pp.1928-1936, 2012, however, the disadvantage of such furnaces is the extremely low volumetric productivity associated with the decomposition reaction, mainly on the surface illuminated by the sun, which limits the scope of this technology. The disadvantage is the need to maintain extremely low pressure in the furnace due to the need to use quartz glass to pass solar energy into the furnace.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать новый способ, позволяющий снизить тепловые затраты на процесс разложения воды, а также повысить производительность и экономичность технологии получения водорода.The objective of the present invention is to create a new method that allows to reduce the heat costs of the process of decomposition of water, as well as to increase the productivity and efficiency of hydrogen production technology.
Поставленная задача решается тем, что:The problem is solved in that:
предложен способ получения водорода из воды, в котором проводят цикл окисления и восстановления оксида железа с получением водорода при окислении железа водяным паром, водород выделяют как конечный продукт из потока водяного пара, при этом восстановление оксида железа ведут путем его термолиза при нагреве инертным газом с получением кислорода, после чего железо окисляют потоком водяного пара, нагреваемым инертным газом, и его окисление водяным паром ведут в емкости, попеременно заполняемой нагретыми инертным газом и водяным паром.The proposed method for producing hydrogen from water, in which the oxidation and reduction of iron oxide is carried out to produce hydrogen during the oxidation of iron by water vapor, hydrogen is isolated as a final product from the stream of water vapor, while the reduction of iron oxide is carried out by thermolysis when heated with an inert gas to obtain oxygen, after which iron is oxidized by a stream of water vapor heated by an inert gas, and its oxidation by water vapor is carried out in a container alternately filled with heated inert gas and water vapor.
Кроме того:Besides:
- нагрев инертного газа ведут в плазменной струе, или электронагревателями, или методом индукционного нагрева, или нагревом солнечной или ядерной энергией, или продуктами сгорания органического топлива,- inert gas is heated in a plasma jet, or by electric heaters, or by the method of induction heating, or by heating solar or nuclear energy, or by the combustion products of fossil fuels,
- восстановление оксида железа ведут при температуре выше 1200°C и давлении выше 0.1 МПа, после чего выделение кислорода из потока инертного газа ведут адсорбцией, или мембранным или электрохимическим разделением,- reduction of iron oxide is carried out at a temperature above 1200 ° C and a pressure above 0.1 MPa, after which oxygen is released from the inert gas stream by adsorption, or by membrane or electrochemical separation,
- давление водяного пара выбирают в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа,- water vapor pressure is selected in the range from 0.1 to 1.0 MPa,
- часть тепла, необходимого для нагрева инертного газа, отводят от восстановленного оксида железа,- part of the heat necessary for heating the inert gas is removed from the reduced iron oxide,
- отделение водорода от водяного пара после окисления железа ведут за счет адсорбции, или конденсации водяного пара, или мембранного разделения или электрохимическим процессом,- the separation of hydrogen from water vapor after iron oxidation is carried out by adsorption, or condensation of water vapor, or membrane separation, or by an electrochemical process,
- путем регенеративного теплообмена изменяют температуры потоков инертного газа и водяного пара на входе и выходе из цикла окисления и восстановления оксида железа,- by means of regenerative heat exchange, the temperatures of the inert gas and water vapor flows at the inlet and outlet of the oxidation and reduction cycle of iron oxide are changed,
- цикл окисления и восстановления оксида железа ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях, соединенных по инертному газу и водяному пару,- the cycle of oxidation and reduction of iron oxide is carried out in parallel switchable sections of homogeneous design, connected by an inert gas and water vapor,
- в качестве инертного газа выбирают гелий, или аргон, или азот, или криптон или их смеси.- helium, or argon, or nitrogen, or krypton, or mixtures thereof, are selected as the inert gas.
На чертеже дана одна из возможных схем реализации указанного способа, где 1 - нагретый гелий, 2 - термолизер, 3 - гелий-кислородная смесь, 4 - отделитель кислорода, 5 - кислород, 6 - охлажденный гелий, 7 - водяной пар, 8 - смесь водяного пара и водорода, 9 - регенеративный теплообменник нагрева водяного пара, 10 - отделитель водорода, 11 - водород, 12 - регенеративный теплообменник нагрева гелия, 13 - отбор тепла от оксида металла.The drawing shows one of the possible schemes for the implementation of this method, where 1 is heated helium, 2 is a thermolyzer, 3 is a helium-oxygen mixture, 4 is an oxygen separator, 5 is oxygen, 6 is cooled helium, 7 is water vapor, 8 is a mixture water vapor and hydrogen, 9 - a regenerative heat exchanger for heating water vapor, 10 - a hydrogen separator, 11 - hydrogen, 12 - a regenerative heat exchanger for heating helium, 13 - heat removal from metal oxide.
Примером реализации изобретения служит способ получения водорода из воды, описанный ниже.An example implementation of the invention is the method of producing hydrogen from water, described below.
В излагаемом примере осуществления изобретения предлагается, в качестве примера, использовать гелий 1 в качестве инертного газа и процесс термолиза оксидов железа: Fe2O3⇒2FeO+1/2O2 (термолиз свыше 1300-1400°C) для получения кислорода 5.In the described embodiment of the invention, it is proposed, as an example, to use helium 1 as an inert gas and the process of thermolysis of iron oxides: Fe 2 O 3 ⇒ 2FeO + 1 / 2O 2 (thermolysis above 1300-1400 ° C) to produce
Как известно, для реакций типа FeOx+H2O⇒Fe2O4 (или Fe2O3)+H2 (технология типа HyGas) окисление Fe (или FeOx) идет по зависимости:As is known, for reactions of the type FeO x + H 2 O⇒Fe 2 O 4 (or Fe 2 O 3 ) + H 2 (technology like HyGas), the oxidation of Fe (or FeO x ) proceeds according to:
w2t-1=2.4·1014 exp(-84300/RT), гдеw 2 t -1 = 2.4 · 10 14 exp (-84300 / RT), where
w - приращение веса металла вследствие его окисления (г/м2).w is the increment of the weight of the metal due to its oxidation (g / m 2 ).
Такой параболический характер имеют гетерогенные реакции, лимитируемые диффузией в конденсированной фазе. Аналогичный характер имеет и зависимость разложения гематита, что позволяет охарактеризовать особенности реализации изобретения применительно к процессам окисления вюстита до гематита в термолизере 2 с получением смеси водяного пара и водорода 8 из водяного пара 7, подаваемого в термолизер 2.Heterogeneous reactions limited by diffusion in the condensed phase are of such parabolic nature. The dependence of the decomposition of hematite is of a similar nature, which allows us to characterize the features of the invention as applied to the oxidation of wustite to hematite in
На первой стадии процесса гелий 1, нагретый до температуры 1500°C, поступает в термолизер 2, заполненный оксидом железа в основном в форме гематита, и, нагревая гематит до температуры 1300-1400°C, разлагает его до вюстита и кислорода, который смешивается с гелием и выводится из термолизера 2 в виде охлажденной до 1000-1100°C гелий-кислородной смеси 3, поступающей, например, в высокотемпературный электрохимический отделитель кислорода 4, в котором за счет кислородной диффузии через керамический электролит производят отделение кислорода 5 от потока гелия 6, поступающего на повторный нагрев (на чертеже не показано). В высокотемпературном электрохимическом отделителе кислорода 4 при подводе электрической энергии осуществляют подачу гелий-кислородной смеси 3 на вход катодного пространства высокотемпературного электрохимического процесса, в то время как кислород выделяют в анодном пространстве, отделенном от катодного электролитическим слоем, выполненном из кислородпроводящей керамики, например, SrFeCo0.5O3.25-δ, как она описана в Department of Chemistry, University of Houston, Houston, TX 77204-5641, USA, Solid State lonics DOI: 10.1016/S0167-2738(98)00106-4, т.е. такой материал, который имеет высокий уровень ионной проводимости и сравнимый (или больший) уровень электронной проводимости. Акцепторное допирование катионной подрешетки обеспечивает появление вакансий кислорода и, следовательно, обеспечивает высокие значения кислородно-ионной проводимости, а наличие в структуре элемента, способного к легкой смене степени окисления - высокую электронную проводимость. Можно предложить в качестве перспективных материалов также некоторые составы твердых растворов, например CaTi0.8Fe0.2O3-δ. Выделение кислорода 5 из потока гелий-кислородной смеси 3 целесообразно также проводить адсорбцией, мембранным разделением, однако в этих вариантах исполнения температура гелий-кислородной смеси 3 должна быть понижена до 200-300°С, что может достигаться либо регенеративным нагревом гелия 1, поступающего в термолизер 2, либо нагревом водяного пара 7. Регенеративные теплообменники 12 и 9 нагрева входящих потоков гелия 1 и водяного пара 7 соответственно, ведут нагрев за счет выходящих потоков гелий-кислородной смеси 3 и смеси водорода и водяного пара 8 соответственно. Кроме того, частично поток входящего гелия 1 может нагреваться за счет отбора тепла 13 от секции термолизера 2, в которой проведено восстановление оксида металла.In the first stage of the process, helium 1, heated to a temperature of 1500 ° C, enters
На второй стадии прекращают подачу гелия 1 в термолизер 2, внутрь которого подают поток водяного пара 7, нагретый до температуры 400-800°С. Водяной пар 7 при взаимодействии с оксидом железа в основном в форме вюстита окисляет последний до гематита с образованием водорода, смешивающегося с потоком водяного пара, выводимого из термолизера 2 в виде смеси водорода с потоком водяного пара 8, поступающей на отделение водорода 11, например, в высокотемпературный электрохимический отделитель водорода 10, в котором при подводе электрической энергии осуществляют подачу смеси водорода с потоком водяного пара 8 на вход анодного пространства высокотемпературного электрохимического процесса, в то время как смеси водорода выделяют в катодном пространстве, отделенном от анодного электролитическим слоем, выполненном из протонпроводящей керамики, например, SrCeO3, обладающей высокотемпературной протонной проводимостью, как доминирующей характеристикой электролита. Для SrCeO3, допированного Y, Sc, In, РЗЭ получены высокие величины протонной проводимости при 600-1000°С [Uchida H., Maeda N., Iwahara H. Relation between proton and hole conduction in SrCeO3 - based solid electrolytes under watercontaining atmospheres at hift temperatures // Solid State lonics. 1983. V.11. N2. P.117-124]. Электролиты были испытаны в ячейках, составляющих основу ряда высокотемпературных электрохимических устройств, и показали хорошие характеристики. Отделение водорода от водяного пара 7 возможно проводить также за счет адсорбции, конденсации водяного пара или мембранного разделения смеси водорода с потоком водяного пара 8 в аппарате выделения водорода 10 с получением продукционного водорода 11.In the second stage, the flow of helium 1 to the
Нагрев гелия 1 ведут в плазменной струе, либо электронагревателями, либо методом индукционного нагрева, либо нагревом солнечной или ядерной энергией, либо продуктами сгорания органического топлива, на чертеже не показано. Помимо оксидов железа в термолизере 2 в качестве металла можно применять также сплавы на основе металлов, выбранных из группы олово, индий, галлий, марганец, хром, титан, медь, церий, цинк, алюминий, цирконий, свинец, ванадий, рутений, их смеси или соединения. Оксиды железа, гематит (FeO1.5), магнетит (FeO1.33) и вюстит (FeO1.1) имеют особенности плотноупакованной структуры ионов кислорода, могут образовывать шпинели, в частности для вюстита различные Fe/O отношения могут дифференцироваться что, как правило, обозначается Fe1-δO (с 0.05<δ<0.17). Вюстит может содержать 23.1-25.6% масс. кислорода. Гидролиз вюстита (FeO) ограничен из-за образования магнетита Fe3O4, играющего роль диффузионного барьера Такие компоненты, как Mn, Cr, Ti, Cu, Pb, V и Al, могут быть добавлены для повышения производительности, а добавки Al, Cr, Zr, Ga и V оказывают положительное влияние на окислительно-восстановительное поведение оксидов железа, вероятно, потому что водород активируется добавками или повышает диффузию кислорода в железе (оксидах).The heating of helium 1 is carried out in a plasma jet, either by electric heaters, or by the method of induction heating, or by heating solar or nuclear energy, or by the combustion products of organic fuel, not shown in the drawing. In addition to iron oxides in
Нагрев водяного пара 7 с давлением в диапазоне от 0.1 до 1.0 МПа перед подачей на окисление металла в термолизер 2 ведут помимо регенеративного нагрева в теплообменнике 9 также и с помощью, например, нагретого инертного газа 6, выходящего из отделителя 4, до температур 400-800°С с помощью отдельного теплообменника (на чертеже не показан) через герметичные теплообменные поверхности.In addition to regenerative heating in the
Цикл окисления и восстановления оксида металла ведут в параллельных переключаемых однородных по конструкции секциях термолизера 2, соединенных по гелию 1 и водяному пару 7 таким образом, чтобы поток гелия 1 поочередно переключался на подачу в соседние секции термолизера 2, в которых уже завершилось окисление оксида металла, а именно в излагаемом примере исполнения - окисление вюстита до гематита. Помимо гелия 1 в качестве инертного газа выбирают также аргон, азот, криптон или их смеси.The oxidation and reduction cycle of metal oxide is carried out in parallel switchable sections of
Ниже представлен расчет теплового баланса реализации способа:Below is the calculation of the heat balance of the implementation of the method:
1. Q термолиза гематита (до вюстита: Fe2O3⇒2FeO+1/2О2): 342.8 кДж/моль Fe2O3 1. Q thermolysis of hematite (before wustite: Fe 2 O 3 ⇒2FeO + 1 / 2О 2 ): 342.8 kJ / mol Fe 2 O 3
2. Q нагрева/охлаждения гематита/вюстита (900→1500°С): Ср.гем средн×ΔТ=1 кДж/кг·К×600 К=0.6 МДж/кг Fe2O3/2. Q of heating / cooling of hematite / wustite (900 → 1500 ° С): With r.hem average × ΔТ = 1 kJ / kg · K × 600 K = 0.6 MJ / kg Fe 2 O 3 /
Ср.вюст средн×ΔТ=0.73 кДж/кг·К×600 К=0.44 МДж/кг FeOFrom the river Vyust average × ΔТ = 0.73 kJ / kg · K × 600 K = 0.44 MJ / kg FeO
3. Q на испарение и нагрев водяного пара (1 МПа) до 1100°С: 2.26+2.17×(1100-180)=4.26 МДж/кг H2O3. Q for evaporation and heating of water vapor (1 MPa) to 1100 ° С: 2.26 + 2.17 × (1100-180) = 4.26 MJ / kg H 2 O
4. Принимая расходную массу гематита и водяного пара на 1 кг производимого водорода, равными:4. Taking the consumable mass of hematite and water vapor per 1 kg of hydrogen produced, equal to:
mFe2O3=100 кг, что, соответственно, в 1.25 раза больше стехиометрического расхода (степень конверсии при термолизе-80%), масса вюстита: mFeO=72 кг и смеси вюстит/гематит (после термолиза): mFexOy=92 кг, mH2O=13.5 кг, что, в свою очередь, в 1.5 раза больше стехиометрического расхода, в соответствии с ожидаемой степенью конверсии пара (60-70% по данным Production of Synthesis Gas and hydrogen by the Steam-Iron Process: Pilot Plant Study of Fluidized and Free-Falling Beds, Gasior, S.J., Fomey, A.J., Field, J.H., Bienstock, Daniel, Benson, H.E.,U.S. DoI, Bureau of Mines, R.I. 5911,1961), получим общие затраты тепла (в приведении к 1 кг водорода):mFe 2 O 3 = 100 kg, which, respectively, is 1.25 times greater than the stoichiometric flow rate (conversion rate for thermolysis is 80%), wustite mass: mFeO = 72 kg and wustite / hematite mixture (after thermolysis): mFe x O y = 92 kg, mH 2 O = 13.5 kg, which, in turn, is 1.5 times the stoichiometric flow rate, in accordance with the expected degree of steam conversion (60-70% according to Production of Synthesis Gas and hydrogen by the Steam-Iron Process: Pilot Plant Study of Fluidized and Free-Falling Beds, Gasior, SJ, Fomey, AJ, Field, JH, Bienstock, Daniel, Benson, HE, US DoI, Bureau of Mines, RI 5911.1961), we obtain the total heat consumption (in reduction to 1 kg of hydrogen):
- на проведение реакции термолиза: 171.2 МДж,- to conduct the thermolysis reaction: 171.2 MJ,
- на нагрев гематита: 0.6×100=60 МДж,- for hematite heating: 0.6 × 100 = 60 MJ,
- на получение и нагрев водяного пара: 4.26×13.5=57.5 МДж.- to receive and heat water vapor: 4.26 × 13.5 = 57.5 MJ.
Из них затраты на производство и нагрев водяного пара покрываются за счет охлаждения вюстита от температуры термолиза гематита (1500°С) до рабочей температуры генерации водорода (1100°С), что дает 0.76×600×92=41.7 МДж, а также за счет охлаждения потока водяного пара (4.5 кг) и водорода (1 кг) от 1100°С до 180°С, что дает 2×4.5+14.55×0.92=21.88 МДж и охлаждения потока кислорода (8 кг) от температуры термолиза (1500°С) до 180°С (в варианте термолизера с передачей тепла через стенку), что дает 1520×1×8=12.16 МДж, из которых 4.8 МДж может быть использовано для нагрева гематита перед термолизом, с соответствующим уменьшением затрат тепла, покрываемых нагретым гелием.Of these, the costs of production and heating of water vapor are covered by cooling wustite from the hematite thermolysis temperature (1500 ° С) to the working temperature of hydrogen generation (1100 ° С), which gives 0.76 × 600 × 92 = 41.7 MJ, as well as due to cooling the flow of water vapor (4.5 kg) and hydrogen (1 kg) from 1100 ° C to 180 ° C, which gives 2 × 4.5 + 14.55 × 0.92 = 21.88 MJ and cooling the oxygen flow (8 kg) from the thermolysis temperature (1500 ° C) up to 180 ° C (in the version of the thermolizer with heat transfer through the wall), which gives 1520 × 1 × 8 = 12.16 MJ, of which 4.8 MJ can be used to heat hematite before the term Lees, with a corresponding decrease heat losses covered heated helium.
Таким образом, от энергоисточника с помощью гелиевого теплоносителя расход тепла составит 171.2+(60-4.8)=226.4 МДж.Thus, the heat consumption from the energy source using helium heat carrier will be 171.2+ (60-4.8) = 226.4 MJ.
Соответствующая общая эффективность процесса получения водорода из воды составит: 143/226.4=63%.The corresponding overall efficiency of the process for producing hydrogen from water will be: 143 / 226.4 = 63%.
Такой показатель эффективности получения водорода из воды превышает все известные термохимические технологии.This indicator of the efficiency of hydrogen production from water exceeds all known thermochemical technologies.
При достигнутой объемной скорости водяного пара в реакционном объеме 300 1/ч и в расчете на мощность 1 МВт объем реактора-термолизера займет при плотности водяного пара 0.5 кг/м3:With the achieved volumetric rate of water vapor in the reaction volume of 300 1 / h and calculated on a power of 1 MW, the volume of the reactor thermolizer takes at a water vapor density of 0.5 kg / m 3 :
1 МВт/226.4 МДж×3600×9/0.5/300=0.95 м3. 1 MW / 226.4 MJ × 3600 × 9 / 0.5 / 300 = 0.95 m 3.
Суммарный процесс разложения воды в предложенном изобретении описывается реакцией (H2O→1/2O2+Н2), в которой удается получить из воды водород и кислород высокой чистоты с необходимым для дальнейшего использования давлением. Таким образом, в предложенном изобретении удалось снизить тепловые затраты на процесс разложения воды, а также повысить производительность и экономичность технологии получения водорода, эффективно использовать энергетический потенциал высокотемпературных энергоисточников, в том числе ядерных, что позволяет рассчитывать на высокую экономическую эффективность. Полученные продукты разложения воды - газообразные водород и кислород могут затем использовать в химической промышленности и металлургии для переработки углеводородов, а также в системах аккумулирования и транспорта энергии и как топливо в транспортных и стационарных энергоустановках.The total process of decomposition of water in the proposed invention is described by the reaction (H 2 O → 1 / 2O 2 + H 2 ), in which it is possible to obtain hydrogen and oxygen of high purity from water with pressure necessary for further use. Thus, in the proposed invention, it was possible to reduce the heat costs of the process of water decomposition, as well as to increase the productivity and efficiency of hydrogen production technology, to effectively use the energy potential of high-temperature energy sources, including nuclear ones, which allows us to count on high economic efficiency. The resulting water decomposition products - gaseous hydrogen and oxygen can then be used in the chemical industry and metallurgy for hydrocarbon processing, as well as in energy storage and transport systems and as fuel in transport and stationary power plants.
Claims (9)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012148150/05A RU2521632C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Method of producing hydrogen from water |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012148150/05A RU2521632C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Method of producing hydrogen from water |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012148150A RU2012148150A (en) | 2014-06-20 |
| RU2521632C1 true RU2521632C1 (en) | 2014-07-10 |
Family
ID=51213306
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012148150/05A RU2521632C1 (en) | 2012-11-13 | 2012-11-13 | Method of producing hydrogen from water |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2521632C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812628C1 (en) * | 2023-07-13 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Method for hydrogen production |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU681674A1 (en) * | 1978-02-20 | 1981-12-23 | Институт неорганической и физической химии АН Киргизской ССР | Method of hydrogen production |
| SU1472104A1 (en) * | 1986-09-23 | 1989-04-15 | Предприятие П/Я А-1157 | Membrane apparatus for extracting hydrogen from gas mixtures |
| EP1516853A1 (en) * | 2002-06-26 | 2005-03-23 | Uchiya Thermostat Co., Ltd. | Method for producing hydrogen and apparatus for supplying hydrogen |
| RU2301196C2 (en) * | 2000-12-21 | 2007-06-20 | СНАМПРОДЖЕТТИ С.п.А. | Method for preparing hydrogen |
| RU2432628C1 (en) * | 2010-05-13 | 2011-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method and device of localisation of core melt of nuclear reactor |
-
2012
- 2012-11-13 RU RU2012148150/05A patent/RU2521632C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU681674A1 (en) * | 1978-02-20 | 1981-12-23 | Институт неорганической и физической химии АН Киргизской ССР | Method of hydrogen production |
| SU1472104A1 (en) * | 1986-09-23 | 1989-04-15 | Предприятие П/Я А-1157 | Membrane apparatus for extracting hydrogen from gas mixtures |
| RU2301196C2 (en) * | 2000-12-21 | 2007-06-20 | СНАМПРОДЖЕТТИ С.п.А. | Method for preparing hydrogen |
| EP1516853A1 (en) * | 2002-06-26 | 2005-03-23 | Uchiya Thermostat Co., Ltd. | Method for producing hydrogen and apparatus for supplying hydrogen |
| RU2432628C1 (en) * | 2010-05-13 | 2011-10-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" | Method and device of localisation of core melt of nuclear reactor |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| А.Я.СТОЛЯРЕВСКИЙ, Ядерно-технологические комплексы на основе высокотемпературных реакторов, Москва, Энергоатомиздат, 1988, с.с. 80-81 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2812628C1 (en) * | 2023-07-13 | 2024-01-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук | Method for hydrogen production |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012148150A (en) | 2014-06-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Muhich et al. | A review and perspective of efficient hydrogen generation via solar thermal water splitting | |
| JP5910539B2 (en) | Method for electrolysis of carbon dioxide gas | |
| JPWO2012057162A1 (en) | Carbon monoxide production method and production apparatus | |
| WO2011116141A2 (en) | Clean steel production process using carbon-free renewable energy source | |
| JP2015502310A (en) | Method for producing hydrogen from ammonia | |
| Cui et al. | A low-temperature electro-thermochemical water-splitting cycle for hydrogen production based on LiFeO2/Fe redox pair | |
| Warren et al. | Solar thermochemical fuels: Present status and future prospects | |
| Park et al. | Computationally accelerated discovery and experimental demonstration of Gd0. 5La0. 5Co0. 5Fe0. 5O3 for solar thermochemical hydrogen production | |
| Zhao et al. | Investigation of the relationship between electronic properties and reactivity of 3DOM LaFe1− xCoxO3 for methane reforming to produce syngas | |
| JP2015051923A (en) | Hydrogen gas generation method and apparatus | |
| KR20190133347A (en) | System for converting carbon dioxide using recycling the waste and method thereof | |
| Orfila et al. | Hydrogen production by water splitting with Mn3-xCoxO4 mixed oxides thermochemical cycles: A thermodynamic analysis | |
| Archi et al. | Theoretical DFT insights into the stability, electronic, mechanical, optical, thermodynamic, and hydrogen storage properties of RbXH3 (X= Si, Ge, Sn) Perovskite Hydrides | |
| Lamb et al. | Emerging technology for hydrogen and bioenergy production | |
| KR101298052B1 (en) | Set-up for production of hydrogen gas by thermo-chemical decomposition of water using steel plant slag and waste materials | |
| Tayyab et al. | Exploring reversible hydrogen storage capacity of Li and Na metal-decorated Sc3N2 monolayer via DFT calculations | |
| RU2521632C1 (en) | Method of producing hydrogen from water | |
| Roeb et al. | Hydrogen production via thermochemical water splitting | |
| CN114906883A (en) | Oxygen storage and thermochemical conversion high-entropy oxide, and preparation method and application thereof | |
| CN101157443A (en) | A method for synchronously producing synthesis gas and metallic zinc | |
| Vossier et al. | Hybrid pv–csp systems | |
| Shishkin et al. | La2CuO4 as a promising oxygen carrier for CLOU process | |
| US9868636B1 (en) | Thermochemically active iron titanium oxide materials | |
| Yuan et al. | Solar-driven fuel production by metal-oxide thermochemical cycles | |
| JPWO2004020330A1 (en) | Thermochemical decomposition method of water |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20160405 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161114 |