Спосіб отримання водню, кисню, сірки та електроенергії з чорноморської води

Реферат: Винахід належить до видобутку продуктів розкладу сірководню з покладів Чорного моря при ерліфтному підйомі води. Спосіб одержання водню, кисню, сірки та електроенергії з чорноморської води включає створення висхідного потоку чорноморської води за рахунок утворення газоводяної суміші з меншою густиною. Висхідний потік утворюють роздільним ерліфтним підйомом глибинної чорноморської води після її попереднього гідроциклонного очищення на глибині від сірководню. Для цього у поклади сірководню подають кисень, отриманий електролізним розкладом води, з утворенням сірки і її тонкошаровим осадженням з подальшим її ерліфтним підйомом за рахунок кисню на поверхню. Частина води за рахунок водню утворює висхідний потік у газгольдер для відокремлення водню та скидання в море очищеної глибинної води за межу солоності. В нижній частині ерліфтного підйому потік обертає турбіну гідроагрегата, електрика якого спрямовується для здійснення способу. Винахід сприяє зменшенню витрат енергії на розклад сірководню і поліпшенню екологічного стану Чорного моря. UA 103383 C2 (12) UA 103383 C2 UA 103383 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до гідроенергетики, та може бути застосований для перетворення в електрику енергії потоку води, що утворюється за рахунок ерліфтного підйому при розкладі води на водень та кисень. Відомий спосіб глибинної аерації для отримання сірки та водню (с. 13, абз.6, В.Г. Кашия. "Екологически чистые методы освоения водородосодержащих компонентов Черного моря", Додаток 1), що включає нагнітання з поверхні моря стисного атмосферного повітря на глибину більш 200 м, окислення киснем повітря сірководню, осадження утвореної сірки на поверхню спеціальних ємностей, які періодично піднімаються на поверхню для зняття накопиченої сірки. Вказаний спосіб потребує значних витрат електроенергії для нагнітання атмосферного повітря на глибини більш 200 м, використовується ж воно вкрай неефективно, бо вміст кисню в ньому становить 20 %, а решта повітря піднімається до поверхні, перемішуючи шари солоної глибинної води, збагаченої сірководнем, з менш солоною поверхневою, що в свою чергу порушує стабільність шарів і може призвести до викиду сірководню на поверхню. Через отруйні 3 властивості сірководню вже при концентрації 0,008 мг/м та вибухонебезпечність при 4,5…45 % в суміші з повітрям, даний спосіб є неприйнятним. Крім цього, необхідність періодичного опускання та підйому ємностей для збору та очищення сірки значно понижують продуктивність способу. Спосіб не передбачає отримання водню та електроенергії. Відомий також спосіб отримання водню, кисню та електроенергії на гідроелектричних станціях (Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение. Справочник, М., „Химия" 1989 г., стр.292-313), що включає подачу води водосховищ по напірному водоводу до турбіни гідроагрегата для перетворення енергії потоку води в електричну енергію з подальшим її частковим використанням для розкладу води на водень та кисень за рахунок електролізу, причому електроліз ведуть при тиску в електролізері не більше 4МПа при атмосферному зовнішньому тиску. Вказаний спосіб дозволяє підвищити енергетичну ефективність роботи гідроелектростанцій при скороченні споживання енергії тільки в нічні часи, але не здатен суттєво знизити енерговитрати при розкладі води на водень та кисень через необхідність створення високого тиску в реакторі та невикористання потенційної енергії отриманих газів. Спосіб потребує значних запасів води для роботи гідроелектростанції, вилучення з обігу значних родючих територій для створення водосховищ, що негативно впливає на оточуюче середовище. Також виникають добові та сезонні обмеження з вироблення електроенергії, водню та кисню, що робить роботу нестабільною. Крім цього, конструктивні обмеження на товщину стінок електролізера, пов'язані з необхідністю забезпечення високого тиску, не можуть забезпечити суттєвого зниження енерговитрат при максимально для них допустимому в 4МПа та ще й потребує енерговитрат для нагнітаючого компресора. Спосіб також не створює умов для використання потенційної енергії вироблених газів. Найближчим до способу за сукупністю ознак та результату, що досягається, є спосіб отримання водню та сірки (с. 2, абз.7-8 статті „Катастрофа Чорного моря", Додаток 2), що включає занурення трубопроводу крізь поверхневий шар малосольної води до глибин з водою підвищеної густини та розчиненим сірководнем, наступним відкачуванням з трубопроводу поверхневої води, заміщенням її глибинною водою з розчиненим сірководнем, в результаті чого тиск на цей розчин спадає, що в свою чергу призводить до швидкого виходу сірководню з розчину, заповненню ним ємності трубопроводу з утворенням газоводяної суміші, густина якої значно нижче оточуючої трубопровід морської води, під тиском якої утворюється висхідний потік з викидом газоводяної суміші у вигляді фонтану над поверхнею моря. Даний спосіб через те, що сірководень виводиться з глибин на поверхню, створює небезпечні умови праці. Враховуючи також те, що при тиску 0,1 МПа він знаходиться в рідкому стані, він не може створити за рахунок різниці густини стовпів достатньо потужний потік води, який можна використати для отримання електроенергії. Тобто газоповітряна суміш починає утворюватись при підйомі води та досягненні глибини 100 м, що явно недостатньо для створення потужного потоку. Враховуючи також те, що вилив глибинної води з великим вмістом солі на поверхню моря швидко призведе до локального знищення поверхневого насиченого киснем шару малосольної води, що в свою чергу призведе до вільного (не тільки через занурений трубопровід) виходу сірководню на даній акваторії, та ланцюгової реакції перемішування шарів та залповому викиду 20 тис. кілометрів кубічних отруйного та вибухонебезпечного сірководню в оточуючу атмосферу. Враховуючи також те, що густина сірководню значно вище густини повітря, він не зможе швидко зникнути, розчинившись в атмосфері, а накриє не тільки поверхню Чорного моря, а і узбережжя. 1 UA 103383 C2 3 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При концентрації сірководню 1,2 мг/дм наступає миттєве отруєння. Небезпека отруєння збільшується в зв'язку зі втратою нюху, що унеможливлює прийняття запобіжних заходів. В основу винаходу поставлено задачу створення способу для отримання водню, кисню, сірки та електроенергії з чорноморської води, який забезпечує автономність, безперервність, екологічну безпеку проходження спрощеного процесу на чорноморській воді, відновлення запасів якої для процесу не потребує витрат електроенергії, що розширює область застосування, а розклад води на водень та кисень, проводиться без застосування нагнітаючих насосів при тиску, який значно перевищує відомі, а це, в свою чергу, спрощує конструкцію для забезпечення способу, підвищує потужність електрогідроагрегату та значно знижує енерговитрати на розклад води на водень, кисень, сірку, а вилучення останньої та застосування чистого кисню для окислення з утворенням сірки позитивно вплине на екологічний стан Чорного моря. Поставлена задача вирішується тим, що у способі для отримання водню, кисню, сірки та електроенергії з чорноморської води, який включає створення висхідного потоку чорноморської води за рахунок її роздільного ерліфтного підйому після її попереднього гідроциклонного очищення на глибині від сірководню за рахунок одночасної подачі кисню (отриманого електролізним розкладом води) з утворенням сірки, її тонкошарового осадження з подальшим її ерліфтним підйомом за рахунок кисню на поверхню для утилізації, а чиста вода за рахунок водню, утворює потужний висхідний потік з напрямком у газгольдер для відокремлення водню та скиду в море очищеної глибинної води на глибину за межу солоності, а в нижній частині ерліфтного підйому потік обертає турбіну електрогідроагрегату, який забезпечує отримання електроенергії для здійснення способу. Згідно з винаходом, зміна способу для отримання водню, кисню, сірки та електроенергії з чорноморської води за рахунок зміни напрямку потоку води на висхідний, забезпечує роботу гідроелектростанції без необхідності будівництва греблі, водосховища. Крім цього, проведення розкладу води на водень та кисень на значній глибині, наприклад під тиском 10МПа, значно знизить витрати електроенергії на отримання водню та кисню. Враховуючи при цьому, що тиск всередині електролізера незначно перевищує тиск зовні, відпадає необхідність збільшувати міцність його корпусу при надвисокому робочому тиску, що в цілому спрощує конструкцію пристрою для виконання способу. Проведення гідроциклонного окислення сірководню на глибині з одночасним введенням чистого кисню значно інтенсифікує процес отримання сірки та разом зі скидом очищеної глибинної води на глибину нижче розташування границі солоності забезпечує екологічну безпеку способу та позитивно впливає на екологічний стан Чорного моря. Таким чином, винахід забезпечує можливість створення потужної мобільної гідроелектростанції без необхідності будівництва греблі, знижує витрати електроенергії на електролізний розклад води, спрощує конструкцію електролізерів, інтенсифікує процес отримання сірки, забезпечує екологічну безпеку способу та позитивно впливає на екологічний стан Чорного моря. Технічна суть способу пояснюється кресленням фіг. 1, на якому зображено загальний вид у розрізі пристрою для отримання водню, кисню, сірки та електроенергії та Фіг. 2 варіанта виконання пристрою для забезпечення способу. Пристрій для одержання водню, кисню, сірки та електроенергії на фіг. 1 включає плавучу платформу 1 з вертикально встановленими ерліфтами 2 та 3, в нижній частині яких відповідно розміщуються турбіна гідроагрегата 4, труба підводу водню 5 та підводу кисню 6, а їх кінці розташовані всередині та в нижній частині порожнини гідроциклона 7, у верхній частині якого розташовано тангенційний підвід води 8, трубопровід введення кисню 9, під якими встановлено тонкошаровий відстійник 10, а зверху на даху гідроциклона 7 розташовано електролізер 11, що має трубопровід живильної води 12 підключений до агрегату підготовки живильної води 13, встановленого на плавучій платформі 1, в якій розташовано газгольдери для прийому водню 14 та кисню і сірки15, в нижній частині якого влаштовано відстійник з похилим дном для сірки 16, оснащений шнеком для транспортування сірки 17 та має трубопровід скиду чистої води 18. Варіант виконання пристрою для забезпечення способу на фіг. 2 відрізняється відсутністю гідроциклона 7, наявністю ерліфту для водню та сірководню 19, який в нижній частині з'єднаний з ерліфтом 3, газгольдера для прийому водню та сірководню 20, патрубка скиду на доочищення 21, агрегату плазмохімічного розкладу сірководню 22. Спосіб для отримання водню, кисню, сірки та електроенергії з чорноморської води за допомогою пристрою здійснюється наступним чином. Перед здійсненням способу, за допомогою агрегату підготовки живильної води 13 та трубопроводу живильної води 12, заповнюють електролітом електролізер 11. Після чого, від 2 UA 103383 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зовнішнього джерела електроенергії, подають напругу на один з електролізерів 11. За рахунок того, що розширення електроліту, що нагрівається веде до утворення надмірного тиску з подальшим розкладом води на водень та кисень, та завдяки тому, що вихід патрубків 5 та 6 знаходяться вище за вхід живильного трубопроводу 15, водень та кисень починає надходити до труб ерліфтів, для водню 2, кисню 3 та, поступово піднімаючись догори, утворює газоводяну суміш, що в свою чергу знижує питому вагу відносно питомої ваги стовпа води у морі. Це приводить до виникнення потоку води в ерліфтах 2, 3 та падіння тиску в зоні відбору води ерліфтами 2 та 3 в порожнині гідроциклона 7, що спричиняє надходження кисню з електролізера 11 за допомогою трубопроводу введення кисню 9 та глибинної морської води за допомогою тангенційного підводу води 8, що в свою чергу призводить до виникнення кругового потоку води у верхній частині гідроциклона 7, інтенсивного його перемішування з киснем, що в свою чергу призводить до окислення сірководню з виділенням сірки за реакцією 2H2S+О22S+2Н2О. Подальше обертання потоку призводить до того, що сірка потрапляє на тонкошаровий відстійник 10, який інтенсифікує її осадження в зону забору води ерліфтом 3, звідки вона разом з водою та киснем потрапляє в газгольдер 15, осаджується на похиле дно 16 та за допомогою шнека для транспортування сірки 17, спрямовується в місце складування. Очищена глибинна вода скидається трубопроводом скиду чистої води 18 на глибину за границю солоності, що не порушує стабільності верхнього малосольного морського шару води. Залишки кисню відводяться з газгольдера 15 і можуть використовуватись або для подальшого поліпшення екологічного стану морської води шляхом скиду кисню разом з чистою водою трубопроводом скиду чистої води 18 або на інші цілі. Створений потік очищеної в гідроциклоні 7 глибинної морської води в ерліфті 2 примушує обертатися турбіну електрогідроагрегату 4, що спричиняє вироблення електроструму, який спрямовується на підключення до роботи інших електролізерів 11. З виходом на режим роботи зовнішнє джерело електроенергії відключається, а вироблена надлишкова електроенергія спрямовується, наприклад, на охолодження водню, що підвищує його густину для його подальшого транспортування спеціальними судами до споживачів. Передбачена можливість розміщення турбіни електрогідроагрегат 4 (на фіг. 1 не показано) всередині тангенційного підводу води 8, що підвищить потужність потоку, обертаючого турбіну в 1,5 разу та забезпечить вільний доступ при обслуговуванні. Підготовка пристрою для технічного обслуговування відбувається за рахунок подачі під тиском водню з електролізера 11 в еластичні надувні балони (на фіг. не показані), рівномірно розташовані по висоті ерліфтів 2 та 3 зі сторони одного з бортів плавучої платформи 1 при досягненні позитивної плавучості заглибленої конструкції, починається її підйом з поступовим перекиданням плавучої платформи 1 на протилежний борт, а ерліфти 2, 3 з часом приймають горизонтальне положення, що забезпечує доступ до турбіни, гідроагрегата 4, електролізера 11. Відмінність по варіанту виконання пристрою для забезпечення способу на фіг.2 полягає в тому, що окислення сірководню киснем з виділенням сірки за реакцією 2H2S+О22S+2Н2О відбувається безпосередньо в ерліфті 3 та газгольдері 15, а завдяки з'єднанню нижніми частинами ерліфтів 19 і 3, потік в місці розташування турбіни гідроагрегата 4 збільшується в 1,5 разу. Враховуючи також те, що ерліфт 3 піднімає з глибини морську воду, насичену сірководнем і при досягненні глибини приблизно 100 м до поверхні починається інтенсивне виділення із води сірководню, що в свою чергу значно зменшує густину газоводяної суміші, це також збільшує потік води в місці розташування турбіни гідроагрегата, що в цілому значно збільшує видобуток електроенергії. Крім цього, подальше виділення сірководню в газгольдері 20 та спрямування його на розклад в плазмохімічний агрегат 22 з одержанням водню та сірки, вдвічі зменшує витрати електроенергії на отримання водню. Вода, позбавлена водню та сірководню в газгольдері 20, спрямовується патрубком скиду на доочищення 21 в газгольдер 15, після чого скидається в море за границю солоності трубопроводом скиду чистої води 18. Технічні переваги запропонованого способу у порівнянні з наведеними технічними рішеннями полягають у тому, що електричну енергію отримують не за рахунок спалювання водню, а за рахунок його використання як робочого тіла в ерліфті для створення газоводяної суміші, густина якої значно нижче оточуючої чорноморської води, завдяки чому створюється потужний потік, що обертає турбіну гідроагрегата та виробляє електроенергію, а водень, піднявшись на поверхню і не втративши своїх властивостей, спрямовується споживачам. Крім цього, переваги полягають у скороченні капітальних витрат та часу на впровадження способу, уникненні необхідності вилучення з обігу родючих земель, збереженні оточуючого середовища, зменшенні енерговитрат на отримання водню, кисню та сірки, забезпеченні 3 UA 103383 C2 5 сталого видобутку водню, кисню, сірки та електроенергії незалежно від часу доби та пори року. Додатково, скидання очищеної від сірководню води за границю шару солоності в Чорне море позитивно вплине на екологічний стан Чорного моря. Враховуючи, що в даному пристрої для забезпечення способу застосовані всі відомі та працюючі на Україні вузли та агрегати, не виникає проблем із широким застосуванням запропонованого способу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 Спосіб одержання водню, кисню, сірки та електроенергії з чорноморської води, який включає створення висхідного потоку чорноморської води за рахунок створення умов виходу сірководню з води з утворенням газоводяної суміші, густина якої менша за густину оточуючої морської води, який відрізняється тим, що висхідний потік утворюють роздільним ерліфтним підйомом глибинної чорноморської води після її попереднього гідроциклонного очищення на глибині від сірководню, за рахунок одночасної подачі кисню, отриманого електролізним розкладом води, з утворенням сірки, її тонкошарового осадження з подальшим її ерліфтним підйомом за рахунок кисню на поверхню для утилізації, а чиста вода за рахунок водню утворює потужний висхідний потік з напрямком у газгольдер для відокремлення водню та скиду в море очищеної глибинної води на глибину за межу солоності, а в нижній частині ерліфтного підйому потік обертає турбіну електрогідроагрегату, який забезпечує отримання електроенергії для здійснення способу. 4 UA 103383 C2 Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5