Зеленая энергия - популярно об экологии, химии, технологиях

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Home Популярная экология Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами - Промышленные способы получения водорода

Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами - Промышленные способы получения водорода

Печать
Индекс материала
Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами
Водородная экономика
Промышленные способы получения водорода
Источники дешёвой электроэнергии
Методы хранения водорода
Эфективность водорода как топлива
Использование водорода и аммиака в топливных элементах
Литература

По мнению геологов, в атмосферу Земли непрерывно выделяется огромное количество газообразного водорода без всякого антропогенного вмешательства.

Запасы водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически неисчерпаемы [Понамарёв-Степной]. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем использовать его как топливо.

В настоящее время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). [Понамарёв-Степной] Полученный таким путем водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных удобрений, а также для ракетной техники.

Чтобы отделить водород от углеродной основы в метане, требуются пар и тепловая энергия при температурах 750 — 850°С, что и происходит в химических паровых реформерах на каталитических поверхностях. Первый шаг реакции расщепляет метан и водяной пар на водород и монооксид углерода (синтез-газ). Вслед за этим "реакция сдвига" превращает монооксид углерода и воду в диоксид углерода и водород. Эта реакция происходит при температурах 200 — 250°С. Для осуществления эндотермического процесса ПКМ сжигается около половины исходного газа.

Неполным окислением метана и его гомологов можно получить водород и окись углерода. При взаимодействии с водяным паром СО может быть превращена в СО2 и водород. После очистки конвертированного газа от двуокиси углерода получается водород. В качестве исходного сырья, содержащего метан, могут служить природный газ, попутные газы нефтедобычи, газы нефтехимической переработки, коксовый газ и др.

Водород и окись углерода получают из углеводородных газов путем их неполного окисления водяным паром, двуокисью углерода, кислородом. Неполное окисление метана протекает по следующим основным реакциям:

CH4 + H2O = CO + 3H2 – 206,33 кДж (-49,3 ккал) (1)

CH4 + H2O = 2CO + 2H2 – 248,1 кДж (-59,3 ккал) (2)

CH4 + H2O = CO + 2H2 – 34,73 кДж (-8,3 ккал) (3)

 

Окись углерода, входящая в состав различных газов, может быть переработана в водород и двуокись углерода при помощи водяного пара по реакции:

CO + H2O = CO2 + H2 + 40,91 кДж (9,8 ккал) (4)

Этот процесс проводится при повышенных температурах в присутствии катализаторов.

Результаты расчета равновесного состава газа показывают, что достаточно полное превращение метана (остаточное содержание СН4 не более 0,5%) при стехиометрическом расходе водяного пара может быть достигнуто только при температуре выше 1200 °К. Увеличение расхода водяного пара сверх стехиометрического количества позволяет сдвинуть равновесие реакции (1) вправо, что широко используется в практических условиях.

Окисление метана при избытке водяного пара может происходить по реакции

CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2 – 165,3 кДж (-39,5 ккал) (5)

которую можно рассматривать как суммарный процесс протекания двух последовательных реакций (4) и (1).

Для достижения максимальных выходов водорода при конверсии метана водяным паром представляет интерес полная конверсия метана по реакции (5) с непосредственным получением в одну стадию водорода и двуокиси углерода. Однако такой одностадийный процесс термодинамически невыгоден, так как при пониженных температурах конверсии в продуктах реакции остается довольно значительное количество метана, а при повышенных температурах газ будет содержать большое количество окиси углерода. Следовательно, эндотермический процесс по реакции (1) термодинамически выгодно вести при высоких температурах, а реакцию (5)—при низких температурах. Поэтому на практике процесс получения водорода путем конверсии метана водяным паром проводят в две раздельные стадии. Сначала при относительно высоких температурах конвертируют метан до окиси углерода и водорода, затем полученную окись углерода при более низких температурах превращают в СО2 и водород.

Применение избытка водяного пара по сравнению со стехиометрическим позволяет не только увеличить степень конверсии метана, но и предотвратить выделение элементарного углерода. Выделяющийся на катализаторе углерод в этом случае конвертируется водяным паром или двуокисью углерода в окись углерода и водород.

Исходя из экономических соображений, связанных с использованием энергии сжатия природного газа, а также для уменьшения размеров аппаратуры и увеличения скорости процесса конверсию метана целесообразно проводить при повышенных давлениях (15—30 ат): Это позволяет достигать любой степени превращения метана при несколько более высоких температурах, чем под атмосферным давлением.

В случае конверсии гомологов метана расход водяного пара возрастает с увеличением числа атомов углерода в исходном углеводороде.

В практических условиях конверсию метана и его гомологов проводят при значительном избытке водяного пара, достигающем 2—2,5-кратного количества сверх стехиометрического. С повышением температуры относительный расход водяного пара может быть уменьшен вследствие смещения равновесия реакции в благоприятную сторону и увеличения скорости процесса.

При нагревании гомологов метана и непредельных углеводородов с водяным паром выделение углерода начинается в условиях более низких температур, чем для метана.[Атрощенко]

Недостаток такого метода получения водорода заключается в том, что он загрязнён СО2 и требует дополнительной очистки. Но даже после этого такой водород содержит остаточные количества диоксида углерода.

А самое главное, в процессе производства Н2 таким способом образуется углекислый газ, который попадая в атмосферу, вносит вклад в её загрязнение и увеличивая «парниковый эффект».

По-видимому, в ближайшем будущем методы получения водорода с использованием углеродного сырья будут основными. Однако сырьевые и экологические ограничения процесса паровой конверсии метана стимулируют разработку процессов производства водорода из воды. Разработаны многочисленные процессы по разложению воды на составные элементы.

Среди способов получения водорода из воды наибольший интерес в контексте атомно-водородной энергетики представляют электролиз, термохимические и термоэлектрохимические циклы.

 

Прямой термолиз воды

При нагревании свыше 2500°С вода разлагается на водород и кислород. Проблема здесь состоит в том, чтобы предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.

Термохимические и термоэлектрохимические циклы. Как известно, для прямого термического разложения воды на водород и кислород требуется высокая температура на уровне 2500°С. Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью концентраторов солнечной энергии. Однако воду можно термически разложить и при более низкой температуре, используя последовательность химических реакций, которые выполняют следующие функции: связывание воды, отщепление водорода и кислорода, регенерация реагентов. Термохимический процесс получения водорода с КПД до 50% использует последовательность химических реакций (например, серно-кислотно-йодный процесс) и требует подвода тепла при температуре около 1000°С. Источником тепла при термохимическом разложении воды служит высокотемпе­ратурный реактор. На отдельных стадиях процессов такого типа наряду с термичес­ким воздействием для отщепления водорода может использоваться электричество (электролиз, плазма).

Изучено много комбинаций химических реакций, в которых вода расщепляется на водород и кислород в замкнутом цикле с поглощением тепла и электричества. Такой цикл может быть построен и на базе ПКМ. При паровой конверсии метана около половины водорода производится из воды. Довести в этом цикле долю водорода, получаемого расщеплением воды, до 100%, можно путём электрохимического или плазменного восстановления метана из метанола с возвращением его в голову процесса. Выбор оптимального процесса разложения воды определяется рядом критериев, среди которых важнейшими являются следующие: эффективность цикла, термодинамические и кинетические характеристики отдельных реакций, доступность и стоимость реагентов, совместимость реагентов и конструкционных материалов, безопасность процесса, экологические соображения и, в конечном счёте, экономические показатели.

Американские исследователи Ричард Дайвер и Джим Миллер из Sandia National Laboratories придумали ещё один способ получения водорода - без электролизной обработки воды. Новый генератор водорода состоит из колец противоположного вращения, скомпонованных из активных элементов – нанокомпозитного ферритного состава с двуокисью циркония.

После подачи водяного пара эти кольца отбирают из него кислород путём химической реакции, а освобождённый водород откачивается в специальные баллоны. Затем за счёт тепловой обработки колец освобождается кислород. Однако говорить об экономической целесообразности внедрения этого метода так же ещё рано, как и многих других, хотя этими проблемами, в том числе в рамках Мировой ассоциации водородной энергетики, созданной ещё в 1974 году, занимаются много лет.

 

Электролитическое разложение воды (электролиз).

Электролитический водород является наиболее доступным, но дорогим продуктом. В мире электролитически производится лишь 4% водорода. [R.Kathari] Для разложения чистой воды при комнатных условиях требуется напряжение 1,24 вольта. Величина напряжения зависит от температуры и давления, от свойств электролита и других эле­ментов электролизера. В промышленных и опытно-промышленных установках реализован КПД электролизера по энергии -70 — 75%, в том числе для электролиза под давлением.[Атрощенко] Паровой электролиз — это разновидность обычного электролиза. Часть энергии, необходимой для расщепления воды, в этом случае вкладывается в виде высокотемпературного тепла в нагрев пара (до 900°С), делая процесс более эффективным.

Вследствие потерь напряжения, а также ввиду того, что выход водорода по току менее 100%, практический расход электроэнергии будет насколько выше. Обычно расход электроэнергии составляет 5,0 – 5,9 кВт·ч/м3 водорода, что соответствует выходу по энергии 50 –60%.

В 1888 г. Л. Л. Лачинов предложил проводить электролиз воды под давлением. В последующем было установлено, что это позволяет повышать температуру электролиза, благодаря чему увеличивается электропроводность электролита и снижается перенапряжение. Если при 80°С напряжение составляет 2,07 В и расход электроэнергии равен 4,97 кВт·ч/м3 Н2, то в случае электролиза под давлением при 120°С напряжение снижается до 1,8 в, а расход электроэнергии до 4,44 кВт·ч/м3 водорода (15,98 МДж). Полученные при этом газы выходят из ванны под высоким давлением.

В некоторых современных электролизерах воды достигнуты практические показатели 4,1– 4,2 кВт·ч на м3 Н2 [Фатеев] — и это много, так как в первом приближении стоимость водорода на 75–80 % определяется стоимостью электроэнергии, затраченной на его получение. Необходимо оговориться, что при определенных условиях в составе некоей системы, в которой значительную роль играет организация распределения энергии и передачи ее на расстояния, может наступить момент, когда система распределения энергии с помощью водорода оказывается более выгодной, чем система с участием электроэнергии. [Понамарёв2]
Исследовательские подразделения GE Global Research (США) предприняли попытку снизить стоимость электролизёров, выполнив их корпуса из пластмассы, стойкой к щелочной среде электролита, а массу металла, применённого в электродах, снизить за счёт напыления из катализатора на основе никеля. После чего цена производства водорода была снижена. Однако недостаточно для конкурентоспособности.

В мире лучшими из промышленных водно-щелочных электролизеров считаются канадские, изготавливаемые корпорацией «Stuart Energy». Они стабильно в течение длительного, ресурса обеспечивают удельный расход менее 5 кВт·ч/м3 H2 [Понамарёв-Степной], что делает их (при низкой стоимости потребляемой электроэнергии и мировых ценах на метан) конкурентоспособными с получением водорода конверсией природного газа с применением короткоцикловой адсорбции. Кроме того, эти электролизеры позволяют изменять нагрузку в пределах от 3% до 100%, в то время как изменение нагрузки на электролизерах типа ФВ-500, приводит к существенному сокращению срока их работы.

 



 

Комментарии  

 
0 #4 Winnie 19.07.2017 12:13
Օne ᴡitһ thе mοst ցοⲟԁ ѡaʏs tօ ѕtаrt mаintaіning ɑ сᥱntгal aс sуstem in tɦeiг Ьᥱѕt ϲondіtіⲟn is tо
mɑқе suгᥱ yоu kᥱᥱp tо tһе гecommеndаtіоns ѕᥙⲣⲣⅼіеɗ bү tɦe mɑҝᥱг fօr ѕtгatеgies οn keᥱρing tҺe aіrflօᴡ constant and ᥙnoЬѕtrᥙcteԀ.
Үοᥙ ԝɑnt tօ ƅе cһооѕing an aіг-ϲon rерɑіr ϲοmⲣany thɑt ʏⲟu sіmρⅼʏ Ьᥱ
ⲟk ԝіtҺ ѡߋrкing tοǥеtһeг աitɦ fⲟг ϲօսntⅼesѕ уeɑгѕ tⲟ сⲟmᥱ.
ӏn ⲟгԁer οn an ᎪC tօ ρeгfߋгm bⲟtһ ᥱffeсtіνᥱlу ɑnd efficіᥱntlу гᥱǥulаг cⅼеaning and mаіntenancᥱ or ѕеrѵiϲing iѕ rеգuirᥱԁ.


Have ɑ look at mʏ homepage; bathroom Repɑiring: http://sstcontracting.com/2015/06/01/air-conditioner-maintenance/
Цитировать
 
 
0 #3 Felicitas 12.06.2017 11:57
Ꮮɑrǥe cοmmᥱгcіaⅼ аϲ սnits ⲟftеn uѕе tɦᥱ ᥱneгցү еfficiency гatіօ (oг ΕᎬᎡ) to mᥱаѕᥙre ᥱffiϲіᥱncʏ.
Ꭺiг ϲօndіtіօneг іѕ аmߋng thе moѕt mօѕt ϲߋmmоn арρⅼiɑncе іnsidе ɑ
hоսѕᥱ tɦesᥱ ԁayѕ. Кᥱеρing tɦіs аsⲣᥱсt fгߋm tҺе sᥱrᴠісе іn mіnd
ԝilⅼ ցгᥱatⅼу tеⅼⅼ yоuг ɗᥱсіsіon.

Feel free to visit mу webpage ... drywall uae dubai shajah: http://sstcontracting.com/2015/04/13/how-to-install-plumbing-in-a-new-home/
Цитировать
 
 
0 #2 k 03.02.2017 15:11
:lol: :D :-) ;-) :-| :o :sigh: :sad: :cry: :-? :-x
Цитировать
 
 
0 #1 k 03.02.2017 14:11
:D :lol: :-) ;-) 8) :-| :-* :oops:
Цитировать
 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить


Интересно знать

Департамент энергетики США отобрал 37 исследовательских проектов в области хранения энергии, энергии биомассы, захвата диоксида углерода и ряда других направлений. Среди них - новые металловоздушные батареи на основе ионных жидкостей с плотностью энергии превышающей в 6-20 раз плотность энергии обычных литиевых аккумуляторов, а так же проект по получению бензина непосредственно из солнечного света и CO2 используя симбиоз двух микроорганизмов.

купить масло mobil купить масло mobil купить интернет магазин автомасел
 
наконечник тяги кермової купить запчасть 5W0419811 Skoda Audi Volkswagen Seat
 
биткоин миксер
 
download song sites