Российская федерация
Российская Академия Наук ИСМАН
Закрытое акционерное общество
Производственно-строительная фирма
«ГРАНТСТРОЙ»

Водородная энергетика

Мержанов А.Г. -  академик РАН и РАЕН, доктор физико-математических наук
Аракелян Г.Г. - доктор наук, заслуженный рационализатор-изобретатель РФ
Аракелян А.Г.-    инженер
Аракелян Гр.Г. -  инженер

Водородное высокотемпературное термодистилляционное опреснение морской воды

г. Ставрополь — г. Черноголовка-Наукоград (Московской области)

Рекомендовано: Научным советом по горению и взрыву института структурной микрокинетики и проблеме материаловедения Российской академии Наук

Рецензент: академик российской академии Наук, доктор физико-математических наук, профессор Мержанов Александр Григорьевич

Мержанов А.Г., Аракелян  Г.Г., Аракелян А.Г., Аракелян Гр.Г «Водородное выоскотемпературное термодистилляционное опреснение морской воды» ЗАО ПСФ «Грантстрой», 2012г.

В настоящей научной работе издается  впервые о тех источниках, которые привели и приводят к резкому ухудшению экологической стабильности за счет нехватки пресной воды на всей территории земного шара. Для опреснения единственного источника морской воды повсеместно используется углеводородное как единственно без альтернативное топливо в газо-турбинных теплоэнергетических силовых установках, в которых углеводородное топливо и смазочные материалы подвергаются горению в низкотемпературных режимах и паросиловых установках обеспечивают испарение воды из соленой морской воды и методом дистилляции получение пресной воды. В свою очередь не полное горение углеводородного топлива и горюче-смазочных материалов выделяют огромное количество тугоплавких  и не сгораемых  элементов в виде балласта и вместе с углекислым газом через выхлопное устройство поступают  атмосферу и тем самым загрязняя окружающую среду.
Авторами впервые в Мировой практике на  основании теоретической и практически достоверных экспериментальных опытов создали высокотемпературные водородные газотурбинные установки и преобразующих воду Н2О в водородсодержащий газ и оснастили их как источник топлива мощных теплоэнергетических объектов для опреснения морской воды.
Впервые в мировой практике изобретение, патент № 2269486, обеспечивающее способ получения водородосодержащего газа в турбогенераторной установке, где основным компонентом более 90% составляет Н2О и только 10% углеводородное сырье   СnН2n+2  высокотемпературном режиме 2000ºС и более, обеспечивающее 100% полное сгорание всех тугоплавких и трудно сгораемых элементов входящих в состав углеводородного катализатора  СnН2n+2  локализацию их в специальных фильтрующих устройствах и тем самым обеспечивающее с низкой себестоимостью пресной водой мест обитания человечества экологическую стабильность окружающей среды.

Огневое термодисталляционное опреснение морской воды:

Все имеющиеся на Земле запасы пресной воды составляют лишь небольшую часть общего количества воды. Они возникают в результате испарения воды из океанов и с поверхности суши, а также с листьев растений. Накапливающиеся в атмосфере пары воды переносятся вследствие глобальных циркуляции атмосферы в другие географические широты, где выпадают в виде осадков-дождя или снега. Выпадающая в виде осадков вода сбегает в реки или собирается в озера и подземные резервуары. В конце концов она испаряется или уносится реками обратно в океаны.
Огромные масштабы морской воды занимающей около 72% поверхности земного шара и в общем балансе водных ресурсов на земле составляет 97% в виде Мирового океана и только 2,7% пресной воды сосредоточены в полярных льдах и ледниках и катастрофически в малых объемах из этого баланса пресной воды человечеству доступно к повседневному потреблению около 0,6% для бытовых и промышленных нужд, которые находятся в озерах, реках и грунтовых водах.
По имеющимся оценкам в развитых странах ежедневно расходуется воды на душу населения; сюда входят расходы огромное количество пресной воды воды на жилищно-коммунальные нужды, включая расходы в сельском хозяйстве и в промышленности. Это количество соответствует одной трети всей доступной для использования пресной воды. Приблизительно 10% примерно 200л на 1 человека пресной воды расходуется на нужды жизнеобеспечения в крупных и средних городах и мегаполисах, остальное идет на нужды сельского хозяйства и промышленности.

Увеличение расхода воды на жилищно-коммунальные нужды обгоняет рост населения, поскольку возрастает использование прогрессивных бытовых приборов. Не считая воды, расходуемой на поливку газонов и садов городских инфраструктур.
Вода для жилищно-коммунальных нужд, сельского хозяйства или промышленных предприятий поступает из озер, рек и подземных источников либо из искусственных резервуаров. Большая часть воды, попадающей в систему водоснабжения, была предварительно «использована»; она уже прошла через одну или несколько очистных канализационных систем или промышленных предприятий. Поэтому ее обычно приходится предварительно обрабатывать, прежде чем она попадает в наши водопроводные системы. После использования воду снова необходимо обрабатывать, чтобы она не загрязняла озера и реки, куда ее возвращают. Важность обработки в очистных сооружениях канализационных и сбросовых вод после их промышленного использования становится все более очевидной, так как многие воды подвергаются очистке и многократному использованию, прежде чем они попадают в моря и океаны.
Несопоставимый дисбаланс между морскими солеными водами и объемами пресной воды на земном шаре ставит человечество перед фактом реального существующей угрозы мировой экологической катастрофы за счет дефицита пресной воды для жизнеобеспечения мест обитания человечества.
Цивилизация XX-XXI веков на земном шаре и уровень развития экономики — промышленности, сельского хозяйства и свою очередь резкое повышение благосостояния и уровень развития культуры человечества автоматически создали объективные условия  для появления комфортных и благоприятных условий повышения культурно-бытовых возможностей жизнеобеспечения человечества в крупных и малых населенных пунктах в мегаполисах, где сосредоточены локально и проживают десятки миллионов человек, где существуют системы жилищно-коммунального хозяйства, обеспечивающие эти населенные пункты пресной водой для бытовых и промышленных нужд и обеспечением их канализования через очистные сооружения.
Демографические и географические  условия жизнеобеспечения человечества во всем мире обеспечивают резкий рост населения за счет рождаемости и миграции из проблемных с экологической точки зрения мест особенно с африканского континента к местам приближенным к более развитым континентам и сушам, расположенным в Европейской, азиатской и Американской части земного шара, что в свою очередь создает условия нарушения равновесия. Оно связано с высоким ростом численности населения и резким снижением объемов добычи пресной водой, которая с каждым годом уменьшается и дефицит для нужд жизнеобеспечения человечества становятся реальной угрозой.
Таким образом существование фактора недостаточности запасов и необходимых объемов пресной воды на земном шаре для жизнеобеспечения человечества и дальнейшего роста благосостояния за счет развитой экологически чистой промышленности и сельскохозяйственного производства ставит само человечество и все государства в Мире перед фактом существования проблемы увеличения объемов пресной воды из природных ресурсов, существующих в мире.
По сути перед человеческой цивилизацией из всех Мировых запасов воды единственным источником для обеспечения собственных нужд остается Морская соленая вода из Мирового Океана, которая составляет 97% от общего объема воды на земном шаре.
Однако из-за высокой концентрации солей и микроэлементов в морской воде вопрос опреснения становится практически проблематичным и высоко энергозатратным. Для полного и глобального анализа проблемы опреснения морской воды рассмотрим объем солености и химический состав и основные технико-экономические направления опреснения морской воды.
Морская океаническая вода — представляет собой научно-обоснованное сложное по химическому и физическому составу, структурно сложное вещество с объемной массой и плотностью в пределах 1020-1030 кг/м3, средней соленостью 34-36 граммов солей и микроэлементов растворение в 1 литре морской воды.
Морская вода по химическому и биологическому составу непригодна для жизнеобеспечения человечества, животного мира и растительности сельскохозяйственного назначения, в связи с наличием огромных объемов химических элементов по массе: содержание ионного вещества в морской воде согласно исследованиям О.В. Мосина составляет:

Сравнительный анализ физических свойств соленой морской воды и пресной чистой воды дают полное научное обоснование существование в природе огромной  массы непригодной для жизнеобеспечения воды, где растворены практически все элементы таблицы Менделеева, находящиеся в условиях равновесия во взвешенном состоянии  как едино-целое вещество с соответствующими физико-химическими свойствами.

Наиболее объемной и важной частью в физико-химическом составе морской воды имеет чистая пресная вода, крайне необходимая для жизнеобеспечения мест обитания человечества.
Сложившееся обстоятельства в конце концов подведут все человечество к необходимости рассматривать океаны как источник воды для жизнеобеспечения.
Высокая концентрация солей делает морскую воду непригодной для питья и для большинства других целей в области ЖКХ, промышленных и сельскохозяйственных нужд. Снижение содержание солей в морской воде или солоноватых водах до уровня, при котором вода становиться пригодной к использованию называется опреснением воды.
Существует множество способов опреснения воды, и на основе любого из них могут быть построены большие производственные предприятия.
Проблема заключается в том, что невозможно проводить опреснение с минимальными затратами энергии и минимальными расходами на оборудование. Это требование важно потому, что  страны, которые вынуждены в большей мере полагаться на опресненную воду, должны выдерживать экономическую конкуренцию с другими регионами, располагающими более обильными и дешевыми источниками пресной воды. Такая небольшая страна, как Кувейт, расположенная на берегу Персидского залива и почти не располагающая природными источниками пресной воды, может позволить себе роскошь потребления опресненной воды только потому, что она извлекает большие объемы нефти и природные газы.

ОПРЕСНЕНИЕ ПУТЕМ ДИСТИЛЛЯЦИИ

Морскую воду можно отделить от растворенных в ней солей дистилляцией. Этот процесс основан на том принципе, что вода представляет собой летучее вещество, а соли являются нелетучими веществами.. существующее традиционные принципы дистилляции морской воды довольно просты, но с их промышленным использованием связано много проблем. Однако недостатки традиционных методов опреснения сопровождаются тем, что по мере выпаривания пресной воды из опреснительной установки, в которой находится морская вода, раствор соли становится все более концентрированным, и в конце концов соль осаждается и это приводит к образованию накипи, что в свою очередь ухудшает теплопроводность стенок опреснительной установки, засоряет трубы и выводит из рабочего состояния дорогостоящие уникальные комплексы.
После дистилляции морской воды определенного объема  пресной воды необходимо выбрасывать дорогостоящие установки, а вместо нее устанавливать новые комплексы для опреснения морской воды. Но это следует делать последовательно, чтобы не потерять цикличность и непрерывность технологии опреснения морской воды. Следует также учесть, при традиционном способе, если проводить дистилляцию при атмосферном давлении и воду нагревать до 100ºС; при более низком давлении температура кипения морской воды понижается, и, следовательно, дистилляция требует меньших тепловых затрат.

Рис. 1 Схема традиционного процесса многостадийной флеш-дистилляции для опреснения воды.

Одна из наиболее успешных попыток обойти ряд таких трудностей привела к разработке процесса многостадийной флэш-дистилляции, которая схематически изображена на рисунке 1. В камеру А поступает подогретая морская вода, которая называется рассолом. Рассол прокачивают под давлением через витки теплообменника в камеру В, затем камеру С и, наконец, в камеру D, причем в каждой камере его температура становится все выше. Теплота поступает к рассолу от водяного пара, конденсирующе-гося на витках теплообменника каждой камеры. Сконденсировавшийся пар, являющийся пресной водой, собирают и откачивают из установки. В камере Е разогретый рассол нагревают еще сильнее паром, который пропускают через витки теплообменника; пар, используемый в этой камере, приносит с собой большую часть полной энергии, вводимой в систему. Из камеры Е горячий рассол поступает в камеру D, где поддерживается пониженное давление. Поскольку давление в этой камере понижено, часть рассола испаряется и после конденсации превращается в пресную воду. Для испарения воды требуется энергия. Когда вода испаряется с поверхности нашего тела, происходит охлаждение этой поверхности. Точно так же остающийся после испарения некоторой части воды рассол тоже охлаждается. Затем он поступает в камеру С, где давление еще ниже, чем в камере D. Здесь происходит испарение еще некоторого количества воды, а оставшийся рассол еще больше охлаждается. На каждой последующей стадии рассол становится все более концентрированным и все более охлаждается. На последней стадии часть рассола, который содержит теперь приблизительно 7% солей по весу, смешивается с вновь поступающей морской водой. Другая часть рассола сбрасывается в море, чтобы предотвратить слишком большое повышение концентрации солей.
На рис. 2 показана большая промышленная установка по опреснению морской воды методом многостадийной флеш-дистилляции. Такая установка способна вырабатывать ежедневно около 9 миллионов литров пресной воды. Эффективность работы установки многостадийной флеш-дистилляции ограничена главным образом возникновением накипи в системе циркуляции горячего рассола. Главными причинами образования накипи являются карбонат кальция и гидроксид магния. Чтобы воспрепятствовать их образованию и тем самым сделать возможной эксплуатацию системы при более высоких температурах, применяются различные добавки. Однако при высоких температурах возникает проблема, связанная с осаждением сульфата кальция.

Рис.2 Установка для опреснения морской воды методом многостадийной флеш-дистилляции.

Такая установка может ежедневно вырабатывать приблизительно 9 миллионов литров пресной воды (компания «Аква-Кем» в г. Милуоки, США).
Основная часть затрат при осуществлении любого варианта процесса дистилляции морской воды связана с большими потребностями в тепловой энергии.
В связи с этим предложено множество других способов опреснения воды, которые не связаны с необходимостью ее испарения. В одном из способов пресную воду удаляют из морской воды путем ее замораживания. При образовании льда из морской воды растворенные в ней соли не попадают в него. Однако, процесс замораживания тоже требует затрат энергии. В настоящее время проводятся испытания крупномасштабных установок по опреснению воды, в которых используется принцип замораживания.
Относительно к методу дистилляции и опреснение морской воды является метод обратного осмоса.
При опреснении морской воды методом обратного осмоса пресную воду отделяют от растворенных в ней солей при помощи мембраны, проницаемой для воды, но непроницаемой для солей. Для этого необходимо наличие селективной мембраны, пропускающей только воду, но задерживающей растворенные в ней вещества. Если поместить такую мембрану между рассолом и пресной водой, тенденция к выравниванию концентраций по обе стороны мембраны заставит воду проникать через мембрану в рассол.
Этому процессу можно воспрепятствовать, прикладывая давление со стороны рассола. При достаточно большом давлении проникновение воды через мембрану в рассол прекратится. Давление, необходимое, чтобы воспрепятствовать просачиванию воды через мембрану в раствор, называется осмотическим. Для морской воды при нормальных условиях осмотическое давление составляет приблизительно 25 атм.
Если прикладываемое к рассолу давление превысит осмотическое, то вода будет проходить через мембрану в обратном направлении, другими словами, пресная вода будет выдавливаться из рассола через мембрану.
Этот процесс, называемый обратным осмосом, схематически показан на рис. 3 Морскую или солоноватую воду накачивают под высоким давлением в камеры, стенки которых изготовлены из полупроницаемых мембран. При прохождении воды через мембраны локальная концентрация солей у стенки мембраны повышается, что приводит к повышению осмотического давления и уменьшению потока пресной воды. Чтобы воспрепятствовать этому, через камеру нужно непрерывно прокачивать морскую воду. Поток пресной воды через мембрану пропорционален прикладываемому давлению. Но максимальное давление, которое можно приложить к мембране, определяется ее собственными характеристиками. При слишком высоком давлении мембрана может разорваться, забиться присутствующими в воде примесями или пропускать слишком большое количество растворенных солей.

Рис. 3. Схема процесса опреснения воды методом обратного осмоса.
Давление, создаваемое насосом высокого давления, превышает осмотическое давление соленой воды относительно пресной. Благодаря этому пресная вода просачивается через полупроницаемую мембрану. Чтобы предотвратить накопление соли вблизи мембраны, насос должен постоянно прокачивать по трубам соленую воду. На практике трубы должны иметь очень малый диаметр, и поэтому установку приходится изготовлять из многих тысяч труб.
В обычных установках по опреснению воды методом обратного осмоса трубы, изображенные на рис. 3, изготавливают из пористого вещества, выложенного с внутренней стороны очень тонкой пленкой из ацетата целлюлозы. Ацетат целлюлозы (из которого изготовляют целлофан и основу фотографической пленки) играет роль полупроницаемой мембраны. Установка состоит из множества таких труб, уложенных параллельно друг другу. Скорость проникновения воды через мембрану довольно невелика. Например, при опреснении соленой воды из скважины, содержащей 0,5% растворенных солей, при давлении 50 атм в течение суток удается получить приблизительно 700 л пресной воды с каждого квадратного метра мембраны. Поскольку для получения большой площади поверхности необходимо очень много тонких труб, процесс обратного осмоса пока еще не используется для получения больших количеств пресной воды. Однако этот процесс представляется многообещающим, если будут разработаны улучшенные мембраны, в особенности для опреснения соленой воды из скважин. Эта вода имеет более низкую концентрацию растворенных солей по сравнению с морской водой, что позволяет проводить ее опреснение при более низких давлениях.

 
Водородная энергетика — научное открытие и возможности создания высокоэффективных, экологически безопасных водородных термодистилляционных энергоустановок для опреснения морской воды

Уровень развития на земном шаре цивилизации прямо пропорционален уровню развития энергозатрат. Дефицит энергоресурсов, энергетические кризисы, опасность применения ядерной энергетики на планете пугает человеческую цивилизацию и заставляет искать альтернативные источники энергии, а также развивать новые технологии для повышения эффективности потребления традиционных энергоносителей. Одним из перспективных направлений является создание и развитие водородной энергетики. Технология «сжигания» водорода должны придти в самый массовый сектор энергопотребления в области ЖКХ, на транспорте всех видов, промышленность без ограничения, включая химическую, металлургическую и теплоэенергетику.
Страны, для которых очень высока энергетическая зависимость делают колоссальные усилия, чтобы сделать прорыв в водородных технологиях. Япония создала специальный фонд со значительной суммой 4 мрд. Долларов для поисков и приобретения идей и инноваций в этой сфере.
Для государств географически расположенных в северной и холодной части земного шара тема перспективных энерготехнологий обостряется в связи с истощением месторождений нефти и газа и отказ от ядерной энергетики может оказаться жизненно важным по причине растущих цен на энергоносители и их производные.
Вся мировая наука направлена на создание альтернативного топлива взамен углеводородного как фактора неизбежности единственным возможным для спасения цивилизации и человечества в целом  на земном шаре. Единственным глобальным источником для получения топлива остается огромные запасы воды, включая океаническую для преобразования водорода. Однако высокоэнергетические затраты получения топлива в виде водорода традиционным способом ставит прогрессивное человечество и мировую науку перед фактом  нерентабельности, экономически мифическим водородную энерегтику. Однако с 2006г с изобретением и созданием нового поколения  водородных газотурбинных установок, где реализована ранее неизвестное явление двухстадийного окисления воды углеводородом в высокотемпературном режиме позволили авторам научного открытия  решить проблемы получения водорода практически сопоставимой к себестоимости добычи простой воды из недра земного шара.

В рамках реализации целевой программы внедрения производства для собственных нужд ЗАО ПСФ «Грантстрой» совместно с ИСМАН Российской академией наук под руководством академии РАН доктора физико-математических наук — профессора Мержанова А.Г. На основе запатентованного на изобретение  «Способа получения водородсодержащего газа в турбогенераторной установке» (патент № 2269486 и создали ряд по мощности паросиловые парогенераторные установки мгновенного действия для опреснения морской воды, где источником топлива и тепла представлена водородная газотурбинная установка, которая преобразует воду (H2 O) в водородсодержащий газ, реализовав формулу изобретения H2O + CnH2n+2 = H2 + CO2  в высокотемпературном режиме свыше 2200 ºС и более.
Данное, ранее неизвестное явление, на основании научной экспертизы международной академии авторов научных открытий, признано научным открытием и выдан диплом № 425.
Сверх-фантастические низкие экономические показатели  себестоимости получения водорода основаны на принципе и способе  непосредственно в водородной газотурбо-теплогенераторной установке с преобразованием за счет  химической реакции воды H2O — 90% и более в объеме и катализатора углеводородного ряда   СnН2n+2    включая  природную нефть и Метан в объеме до 10% и менее в высокотемпературном режиме 1300/ 2200 ºС и более в водородосодержащий газ, который обеспечивает высокотемпературный стабильный режим горения в водородной газотурбинной установке 2200  ºС и более.

Данное обстоятельство обеспечило условия в разработке и создании комплекса водородной высокотемпературной термодистилляционной установки для опреснения морской воды, не имеющего мирового аналога, где производительность в связи с использованием дешевой водородной энергетики не ограничена.

Рис. 4 Водородная высокотемператруная газотурбинная энергосиловая термодистилляционная установка «Грантстрой»
Водородный высокотемпературный энергосиловый комплекс для термодистилляционного опреснения морской воды состоит из блоков:
1. Водородной газотурбинной-теплогенераторной установки производительностью t=2000ºC и более.
2. Водородным паросиловым термо-опреснительным комплексом.
3. Водородной газотурбинной электростанцией фирмы «Capstone MicroTurbines” мощностью 200 кВт и более.
4. Шаровой оболочковой тонкостенной железобетонной конструкцией для преобразования газов и пара в пресную воду — объем шара 100 тысяч м3.

Мержанов А.Г.
Аракелян Г.Г.
Аракелян А.Г.
Аракелян Гр.Г.