PROCEDIMIENTO PARA LA COMBUSTION ACUOSA DEL HIDROGENO O DE GAS DE SINTESIS PARA GENERAR ELECTRICIDAD.

Procedimiento para la combustión acuosa del hidrógeno o de gas de síntesis para generar electricidad.

Purificamos el aire en filtro de mangas (1) previo a introducirlo en el reactor de mezcla de gases (2). En este se mezcla estequiométricamente el hidrógeno -H2- o el gas de síntesis, con el oxígeno -O2- del aire, el reactor esta unido al depósito de reacción (3), con agua -H2O- en fase líquida. Esta reacción transmite el calor producido al agua -H2O-, que pasa a vapor de agua a alta temperatura y presión, que conducimos (4) a turbina (5) para transformar la energía calorífica y la presión del vapor de agua en energía mecánica, a la turbina acoplamos generador que produce energía eléctrica.

El vapor de agua, lo conducimos a un intercambiador de calor (6) para disminuir la temperatura, y pasar a fase líquida. El agua -H2O-, la conducimos a un depósito de almacenamiento (7) y mediante una tubería (8) la conducimos al depósito de reacción para iniciar el proceso.

Procedimiento para la combustión acuosa del hidrógeno o de gas de síntesis para generar electricidad.

La presente invención se refiere a la combustión de hidrógeno ó de gas de síntesis, indistintamente, en un medio acuoso para generar vapor de agua a alta temperatura y presión, que aplicado a una turbina, produce energía eléctrica.

El presente procedimiento debemos encuadrarlo dentro del sector de la energía dado que se produce energía eléctrica a partir del hidrógeno, bien puro ó bien formando parte del gas de síntesis, mediante la combustión directa con el oxígeno en medio acuoso, lo que permite una mayor eficiencia energética, al evitar pérdidas de transferencia, porque el calor generado por la combustión, es totalmente aprovechado para producir vapor de agua a alta temperatura y presión. Asimismo, en el procedimiento de combustión, si se utiliza hidrógeno puro, no se vierte a la atmósfera ningún gas contaminante, y si se utiliza para la combustión el gas de síntesis, se purifica el dióxido de carbono emitido, para poder almacenarlo sin otro proceso complementario, por lo que la presente invención también puede encuadrarse dentro del sector medioambiental.

Antecedentes de la invención La combustión del hidrógeno -H2-ha despertado un interés prioritario, desde el punto de vista científico, por considerarse la energía limpia del futuro, dado que es una energía no contaminante, cuyo único residuo es el agua -H2O-.

La utilización del hidrógeno -H2-para producir energía eléctrica ha tenido un avance cualitativo en las pilas de hidrógeno, cuyo desarrollo técnico esta en constante evolución. También se han desarrollados sistemas mecánicos que permitan aprovechar la energía generada por la combustión del hidrógeno -H2-con el oxígeno -O2-para generar energía eléctrica. El inconveniente de estos procesos, es que la generación de energía eléctrica mediante las pilas de hidrógeno -H2-, suponen unos voltajes mínimos, que solo pueden aplicarse de forma eficiente a la recarga de baterías, siendo hoy impensable la producción de energía eléctrica a gran escala con este sistema.

En el estado de la técnica actual, también son conocidos procesos: combustión del hidrógeno en motores de combustión interna. Peróxido de hidrógeno -H2O2-para la combustión directa. Pilas de hidrógeno -H2-para generar energía eléctrica. Combustión catalítica del amoniaco -NH3-para hacer reaccionar el hidrógeno -H2-con el oxígeno -O2-.

El presente procedimiento supone un avance cualitativo en los procesos conocidos hasta ahora, cuyas mejoras afectan a la utilización de energías limpias, a la eficiencia energética de los procesos para generar energía eléctrica, a la disminución del uso de energías fósiles, contaminantes medioambientalmente y al ahorro de los productos que derivan del petróleo.

Descripción de la invención Mediante un filtro de mangas, purificamos el aire de la atmósfera previo a su introducción en el reactor de mezcla de gases. El reactor de premezcla de gases, va unido, solidariamente, a un depósito de reacción que contiene agua -H2O-. Con el reactor de premezcla de gases, ajustamos la combustión estequiométrica del hidrógeno -H2-con el oxígeno -O2-del aire en medio acuoso. El depósito de reacción que contiene el agua -H2O-, se encarga de regular la temperatura, para que la temperatura de combustión sea mucho menor que en la combustión directa, dependiendo del caudal de agua-H2O-. Con el caudal másico de H2/O2 del aire, se regula la temperatura del vapor generado que puede encontrarse entre 600-1.000ºC dependiendo de las especificaciones estequiométricas que consideremos. De la misma manera, si el combustible empleado es el gas de síntesis, se ajustara estequiométricamente el hidrógeno -H2contenido en el gas de síntesis y el oxígeno -O2-, además de el ajuste estequiométrico necesario para hacer reaccionar el monóxido de carbono -CO-con el oxígeno -O2-, para producir dióxido de carbono -CO2-.

El agua -H2O-introducida en el depósito de reacción, actúa al mismo tiempo de intercambiador de calor y de refrigerante del sistema, que tiene todas las condiciones adecuadas, comparándolo con la combustión directa, para producir el vapor sobrecalentado de manera estable y poder generar electricidad de una manera continua y segura.

La reacción de combustión, si utilizamos solamente hidrógeno, es la siguiente:

2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (g) .

Si utilizamos como combustible el gas de síntesis, la reacción será la siguiente:

H2 (g) + CO (g) + O2 (g) ------> CO2 (g) + H2O (g) .

En la reacción del oxígeno -O2-con el hidrógeno, la estequiometría es 2:1 en relación a la reacción comentada arriba podemos afirmar que el aire que necesitamos para tener la cantidad adecuada de oxígeno -O2-es 4, 76 veces la cantidad que tenemos de hidrógeno -H2-, De esta manera se produciría la combustión estequiométrica del hidrógeno -H2-.

Cuando el combustible que empleamos es el gas de síntesis, la relación estequiométrica del oxígeno -O2-con el hidrógeno -H2-y el monóxido de carbono -CO-, estará en relación con el porcentaje de hidrógeno -H2-y oxígeno -O2que tenga el gas de síntesis, teniendo en cuenta que la relación estequiométrica del monóxido de carbono -CO-con el oxígeno -O2-es de 2:1.

La combustión tiene una gran eficiencia, en torno al noventa y nueve por cien, con agua -H2O-a temperatura ambiente. Las diferentes temperaturas del tanque de agua, influyen en el rendimiento de la eficacia de la combustión. El mejor porcentaje de rendimiento es a 25º centígrados, y conforme aumenta esta temperatura disminuye sensiblemente el porcentaje de combustión en la reacción en cuestión.

El esquema del proceso es el siguiente, en un primer momento a través del quemador, donde realizaríamos pre mezcla estequiométrica de Hidrógeno -H2-/ Oxígeno -O2-, realizamos la combustión del hidrógeno, generando una corriente de vapor sobrecalentado, en parte debido al agua producida por la combustión del hidrógeno según la reacción siguiente:

2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (g) + 572 kJ/mol La entalpía de combustión del hidrógeno es -286 kJ/mol, y la reacción de combustión es la anterior.

Si utilizamos el gas de síntesis, la reacción es la siguiente:

2H2 (g) + 2 CO (g) + 2O2 (g) ------> 2CO2 (g) + 2H2O (g) + 1138 kJ/mol La entalpía de combustión del monóxido de carbono -CO-es -283 KJ/mol y la reacción de combustión del gas de síntesis al 50% de hidrógeno -H2-y monóxido de carbono -CO-sería la anterior.

También se forma vapor sobrecalentado debido a la evaporación del agua -H2O-que esta en el tanque y que entra en contacto con la llama de combustión el hidrógeno -H2-y el aire.

El vapor de agua -H2O-obtenido en la combustión directa del hidrógeno -H2-ó del gas de síntesis, se conduce mediante una tubería a la turbina para generar energía eléctrica. El vapor de agua -H2O-, una vez que ha pasado por la turbina, se recoge para transportarlo a un intercambiador de calor, con el objeto de disminuir la temperatura, a los efectos de que dicho vapor de agua -H2O-, ya en fase líquida, lo llevemos a un deposito de almacenamiento. Desde el depósito de almacenamiento lo conducimos mediante una segunda tubería al depósito de reacción principal, para introducir el agua -H2O-en dicho reactor a una temperatura de 25º centígrados, para hacer más eficiente la reacción en el reactor de premezcla.

El problema técnico que se plantea, es la búsqueda de una nueva tecnología que haga más eficiente el empleo del hidrógeno -H2-ó del gas de síntesis que lo contiene, para poder llegar a producir de manera directa, energía eléctrica de forma más eficiente, utilizando el hidrógeno -H2-como combustible.

Las características esenciales es la combustión directa mediante un reactor de premezcla del hidrógeno -H2-con el oxígeno -O2-ó del gas de síntesis, en medio acuoso, para que el agua -H2O-contenida en el deposito de reacción, sirva al mismo tiempo de transferencia de calor y de refrigerante, para poder controlar la temperatura del proceso. Dependiendo de la cantidad de agua -H2O-podemos regular la temperatura del vapor de agua -H2O-, para una misma cantidad de energía producida por la reacción exotérmica del hidrógeno -H2-con el oxígeno -O2-, Otra característica destacable, es la ausencia de pérdidas de calor en la transferencia de calor para producir...

1. Procedimiento para combustión del hidrógeno ó gas de síntesis, que esta compuesto por hidrógeno y monóxido de carbono, en un medio acuoso, cuya invención tiene por objeto hacer reaccionar el hidrógeno -H2-ó el gas de síntesis con el oxígeno -O2-, en un medio acuoso (agua -H2O-) , para producir vapor de agua -H2O-a alta temperatura y presión, que mediante una turbina y un generador produce energía eléctrica y que comprende las siguientes etapas:

- Un filtro de mangas, para purificar el aire de la atmósfera.

- Un reactor de premezcla de gases, unido solidariamente a un depósito de reacción que contiene agua -H2O-.

- Un depósito de reacción que al contener agua -H2O, actúa como intercambiador de calor y de refrigerante del sistema, para producir vapor de agua -H2O-sobrecalentado de manera estable.

Y que se caracteriza por trasmitir el calor producido por la reacción exotérmica del hidrógeno -H2-ógasde síntesis con el oxígeno -O2-, directamente al agua -H2O-que contiene el depósito de reacción, de acuerdo con las siguientes reacciones:

2H2 + O2 ------------------2H2O + 572 kj/mol;

2H2 + 2CO + 2O2 ----------2CO + 2H2O + 1138 kj/mol La energía calorífica trasmitida al medio acuoso (agua -H2O-) produce vapor de agua -H2O-a alta temperatura y presión, que mediante una turbina y un generador produce energía eléctrica.