В этой работе проведены технологии получения водорода и их анализ, как с экологической, так и с экономической сторон. В результате приведены наиболее перспективные технологии производства водорода

жүктеу 386,05 Kb.

бет	2/3
Дата	03.11.2022
өлшемі	386,05 Kb.
	#39991

1 2 3

ККСОН 90%

Газификация твердых топлив. В процессе газификации водород может быть получен из большого количества топлив: уголь, сланцы, торф, твердые органосодержащие отходы производства. Особый интерес для водородной энергетики представляют угли, природные запасы которых огромны и намного превышают запасы остальных органических топлив. Процесс газификации угля осуществляется в несколько стадий. Итоговая реакция процесса газификации угля является эндотермической и для ее реального осуществления необходимо подводить к системе теплоту (900-1200^оС). Эта теплота в конечном итоге может быть получена за счет дополнительного сжигания некоторого количества угля (автотермический процесс). Подвод теплоты для осуществления реакций окисления углерода может быть организован также через стенку реактора или непосредственным добавлением кислорода и водяного пара в реакционный объем (аллотермический процесс). Продукты парокислородной газификации представляют собой смесь CO₂, CO и H₂. На первой стадии обычно не весь углерод оказывается полностью окисленным, что требует организации последующего доокисление окиси углерода до CO₂ с целью получения дополнительного количества водорода. Установки для газификации угля относительно хорошо освоены. Все эти системы используют пар и воздух (или кислород) для окисления углерода. Наиболее перспективным для промышленной газификации угля на сегодняшний день можно считать высокотемпературный газификатор Винклера с кипящим слоем [3]. Состав газа на его выходе содержит максимальную объемную долю водорода – до 35 %. Тепло- и массообмен в кипящем слое при атмосферном давлении достаточно интенсивны. Это обеспечивает высокую степень окисления углерода топлива (до 90%). В газификаторе Винклера предусмотрено твердое шлакоудаление, что обусловливает сравнительно низкую температуру процесса (около 1000°C). На рисунке 2 показана схема производства газообразного водорода по методу газификации угля. По этой технологии удельный расход угля равен 7,0-7,5 кг/кг H₂; воды – 9 кг; электроэнергии – 0,7-0,8 кВтч. Выбросы CO₂ составляют 21,8 кг. Как видно, в процессе газификации угля при одинаковом выходе водорода выбросы СО2 оказываются в 2,3 раза больше, чем при получении газообразного водорода по методу ПКМ [4].

Рисунок 2 - Модель производства сжатого водорода путем газификации угля

Газификации угля может оказаться экономически привлекательной в районах дешевого угля. Однако, в этом способе выделяется много "тепличных" газов, что в условиях жестокого контроля за изменением климата может оказаться малоперспективным. Существующие методы улавливания СО₂ пока плохо разработаны, дороги и связаны с локальными условиями захоронения или использования СО₂. Трудностей добавляет то, что в связи с неоднородностью состава углей часто требуется дальнейшая очистки водорода от примесей (дисульфид водорода и другие соединения серы, аммиак, СО, смолы, масла, фенолы), не допустимых в установках электрохимического использования водорода, например, в топливных элементах. Дополнительная очистка водорода от этих загрязнителей усложняет технологический процесс и сильно влияет на стоимостные показатели.

Термохимическое разложение воды при использовании энергии высокотемпературного ядерного реактора (ВТГР). Поскольку многие процессы производства водорода требуют дополнительного подвода тепла, то в качестве такого внешнего источника могут выступать высокотемпературные газоохлаждаемые реакторы (ВТГР). Существует реальные возможности использования высокотемпературных ядерных реакторов для крупномасштабного производства водорода. Причем, их использование считается одним из перспективных способов энергообеспечения процессов получения водорода в настоящее время. Это обусловлено, во-первых, возможностью подвода высокопотенциальной теплоты в энерготехнологических процессах производства водорода, во-вторых, возможностью обеспечения высокой суммарной термодинамической эффективности использования энергии первичного источника, в данном случае ядерного топлива и, в-третьих, практически полным исключением выбросов СО₂ в атмосферу. Ниже приведено описание схемы применения ВТГР для термохимического разложения воды.
В основе термохимического производства водорода лежит йодносерный процесс (S-I процесс). Название данный химический цикл получил за счет промежуточных продуктов реакции йода и термически разлагаемой серной кислоты. В целом же S-I процесс состоит из трех химических реакций, реагентом в которых выступает вода, а конечными продуктами водород и кислород. Прохождение двух из трех реакций проходит при температуре 800-1000°C с поглощением теплоты, для подвода которой служит тепло от ВТГР. Электроэнергия для остальных процессов (сжатие или сжижение водорода и др.) поступает от энергосистемы. Эффективность производства водорода в таком процессе может достигать 40-60%. Вид и параметры модели производства водорода путем термохимического разложения воды на базе ВТГР представлены на рис. 3. По данной технологии удельный расход теплоты равен 60-65 кВтч (т)/кг H₂; воды – 9-20 кг; электроэнергии – 2,0-2,5 кВтч. Выход кислорода достигает 8 кг; выбросы CO₂ – 1,7 кг.

Рисунок 3 - Модель производства сжатого водорода на базе ВТГР путем термического разложения воды

На пути внедрения этой технологии встает негативное отношения населения к использованию ядерной энергии. Тем не менее, как показано ниже, стоимость производства водорода на базе ядерной энергии может вполне конкурировать с другими методами. Правда, в этом случае приходится иметь дело с крупными установками, соответствующими единичной мощности ВТГР не менее 100 МВт (т). Это требует наличия достаточно обширного круга потребителей и развернутой инфраструктурой для доставки водорода [4].

Электролиз воды. Наиболее известным методом получения водорода является с помощью электролиза воды. Процесс получения водорода с помощью электролиза воды является наиболее перспективным, хотя в настоящее время из-за высокой стоимости доля этого метода в мировом производстве водорода не превышает 5%. Особенности этой технологии заключаются в экологической чистоте, наличии ценного побочного продукта — газообразного кислорода, а также возможности создания установок с высокой производительностью (от нескольких литров до сотен м³ водорода в час). Для масштабного внедрения водорода в качестве топлива для транспортных энергоустановок, нужно осуществить его дешевое производство, требующее наличие постоянного тока, чистой воды для электролиза и средств охлаждения. Обычно это достигается путем подачи воды, превышающей количество, необходимое для электролиза, но внутренние теплообменники иногда используются для специализированных применений. За последние десятилетия стоимость материала электролизера снизилась более чем на 60%, в то время как производительность увеличилась [5].
На расщепление воды требуется огромное количество энергии. Это один из самых главных трудностей внедрения водородного топлива. И хотя катализаторы на основе некоторых химических элементов как рутений, иридий, платина более эффективны в реакции гидролиза, они слишком дорогие для использования в коммерческих целях. А более дешевые варианты либо менее производительны, либо недостаточно надежны.
После многочисленных экспериментальных исследовании можно сделать вывод о том, что для изготовления катодов используется обычная сталь, а в качестве анодов при электролизе водных щелочных растворов используют углеродистую сталь, на которую электрохимически наносят никелевое покрытие толщиной 100 мкм. Такой анод сохраняет достаточную коррозионную устойчивость в щелочных растворах. Катод иногда активируют путем осаждения на его поверхность никеля, содержащего серу, или металлов платиновой группы [6].
Металлы группы железа устойчивы в щелочных растворах, обладают невысоким перенапряжением и пригодны в качестве материалов для катодов и для анодов. Известные на сегодняшний день катализаторы, участвующие в этом процессе, обычно изготавливаются на базе драгоценных или редкоземельных металлов, что делает такой процесс более дорогим.
Әлемдік өндірушілер осы салада сынақтар өткізіп жатыр, тіпті сутегі отында жұмыс істейтін автокөліктерді шығарады. Өнеркәсіптік көлемінде сутегіні судың электролизімен алу арзан емес, сондықтан автокөлік компаниялар оған көшуге асықпайды, олар сутегі отынды арзан әрі оңай алу әдісін күтуде. Сутегідегі автомобильдердің негізгі артықшылығы – жоғары экологиялығы, өйткені сутегінің жану өнімі су буы.
Главное и неоспоримое преимущество водородного топлива на транспорте – это высокая экологичность, так как продуктом горения водорода является водяной пар. Отсутствие дорогостоящих систем топливоподачи, которые к тому же опасны и ненадежны. Бесшумность. Имеются и недостатки у водородного топлива:
– дорогой и сложный способ получений топлива в промышленных объемах;
– не разработаны стандарты транспортировки и хранения водороде.
Ознакомившись с достоинствами и недостатками водородного топлива можно понять, почему до сих пор откладывается серийный выпуск автомобилей с водородным топливом. Однако из-за ухудшающейся экологии этот альтернативный источник энергии может оказаться единственным решением проблемы. От ученых необходима разработка инфраструктуры, поиск новых способов получения водорода, составление инструкции по эксплуатации водородного топлива [7].

жүктеу 386,05 Kb.

Достарыңызбен бөлісу:

1 2 3