химический каталог




Введение в водородную энергетику

Автор Э.Э.Шпильрайн, С.П.Малышенко, Г.Г.Кулешов

% — заработная плата; 1%—прибыль с оборотного капитала; 2%—страхование и местные налоги; 0,5% —катализаторы и химикалии.

Абсолютный вклад капитальной составляющей в стои-

68

Таблица 2.6. Стоимостные показатели процессов производства сиитез-газа с использованием ядерного источника энергии

Способ газификации

Показатели без катализатора с катализатором, повышающим производительность на 65% с катализатором, повышающим производительность на 85%

Тепловая мощность реактора, МВт Расход угля в установке в пе- 3000 3000 3000

2,7 4,46 5,0

ресчете на условное топливо,

106 ?-год-1

Количество производимого га- 8,41 13,87 . 15,5

за, млрд. м8-год—1

Стоимость установки, млрд.

марок ФРГ:

реактор 2,690 2,690 2,690

электростанция 1,310 1,310 1,310

газовый завод 2,585 3,285 3,460

Итого 6,585 7,285 7,460

Стоимость, синтез-газа, марок

ФРГ за 1 ГДж:

капитальная составляющая 11,88 7,97 7,28

уголь и катализаторы 6,60 7,64 7,64

ядерное топливо 1,42 0,86 0,76

эксплуатационные расходы 1,37 0,83 0,74 '

продажа побочных продук- —2,88 —1,63 —1,44

тов

Итого Стоимость синтез-газа, пфеи-иигов за 1 м3 18,39 21,34 15,67 18,11 15,00 17,32

мость производства водорода в этом случае равен 3,69 долл. США за 1 ГДж Н2.

Зависимость стоимости производства водорода от стоимости угля показана на рис. 2.8. Стоимость бурого угля, который может использоваться для газификации, рекомендуется принимать равной 0,5 долл. США за 1 ГДж (или в пересчете на условное топливо 15 долл. США за 1 т). При этом стоимость производства водорода составит 4,6 долл. США за 1 ГДж: (или в пересчете на условное топливо 138 долл. США за 1 т, или 550 долл. США за 1 ? Н2).

Для пересчета приведенных по зарубежным данным стоимостей в рубли может быть использован следующий

69

Стоимость угля, долл.США/ГДж

Рис. 2.8. Зависимость стоимости Производства водорода от стоимости угля:

/—бензин по методу Фишера—Тропша; 2—бензин по методу Мобил; 3 —метанол; 4 ~ СЖ.Т методом гидрогенизации; 5— водород при давлении 20 МПа; 6 — СЖТ+заменитель природного газа методом Фишера—Тропша; 7— мета-вол + заменитель природного газа

Прием. Сопоставление капитальных затрат на сооружение одинакового оборудования в США и в Советском Союзе на примере угольных электростанций показывает, что стоимость установки в СССР в рублях в 2,5 раза ниже стоимости установки в США в долларах США 1979 г. Процент удельных капитальных затрат для расчета вклада стоимости установки в стоимость производства продукта может быть взят тот же (24%). Стоимость угля должна приниматься непосредственно по отечественным данным.

Используя данные последнего примера, получаем: вклад капитальной составляющей 3,69:2,5=1,48 руб. за 1 ГДж Н2; стоимость (приведенные затраты), например, канско-ачинского угля в пересчете на условное топливо 10 руб-т-1, что соответствует 0,33 руб. за 1 ГДж. Тогда стоимость производства водорода составит 1,48+0,ЗЗХ X 1,75=2,06 руб. за 1 ГДж (или в пересчете на условное топливо 61,7 руб-т-1, т. е. 247 руб-т-1 Н2).

По данным [18] капитальная составляющая соответствует 2,05 руб. за 1 ГДж Н2, а стоимость угля 0,73 руб. за 1 ГДж. Это приводит к стоимости 2,78 руб. за 1 ГДж Н2 (или в пересчете на условное топливо 83,4 руб-т-1, или 333 руб-т-1 Н2).

Из этих данных видно, что, как и отмечалось в начале параграфа, результаты получаются достаточно разноречивыми и могут рассматриваться только как весьма приближенные оценки.

Глава третья

Получение водорода из воды путем электролиза

3.1. Физико-химические основы процесса электролиза воды

В электрохимии под электродом в простейшем случае понимается некоторый электронный проводник, погруженный в ионный проводник (раствор электролита, расплав) 70

или соприкасающийся с ним. На межфазной границе раздела электрод — раствор протекают электродные процессы, в результате которых между электродом и раствором устанавливается разность потенциалов — электродный потенциал, значение которого зависит от природы протекающей на поверхности электрода электрохимической реакции. Непосредственно измерить можно только разность электродных потенциалов нескольких электродов. Практическое значение имеют относительные электродные потенциалы, представляющие собой разность электродного потенциала рассматриваемого электрода и электрода сравнения, обычно нормального водородного электрода, электродный потенциал которого условно принят равным нулю. То, что мы обычно называем равновесным электродным потенциалом, есть напряжение ячейки, составленной из этого электрода и электрода сравнения, при условии, что на всех фазовых границах ячейки установилось равновесие. Электродный потенциал Е, соответствующий условиям равновесия, связан с изменением энергии Гиббса AG электрохимической реакции, протекающей на электроде, так называемой электродной реакции, соотношением

Я=-^-, (3.1)

zF

где ? — число электронов, участвующих в электрохимическом равновесии; F — число Фарадея:

F=NAe; (3.2)

здесь ?? — число Авогадро, а е — заряд электрона. Значение электродного потенциала в этом случае зависит от концентрации с или активности а веществ, участвующих в электрохимическом равновесии. Для металлических электродов

? = ?о + 171паМе- (3-3)

где R — универсальная газовая постоянная; ? — температура; Е0 — нормальный электродный потенциал, соответствующий электродному потенциалу системы, в которой активность находящихся в электрохимическом равновесии веществ равна единице.

Электрод может состоять из нескольких последовательно включенных фаз, и на каждой из межфазных границ может осуществляться какая-то отдельная стадия полной электродной реакции. Поэтому электродную реакцию следует рассматривать как суммарный, итоговый

71

процесс, который слагается из ряда последовательных стадий.

Если вместо изменения энергии Гиббса подставить алгебраическую сумму химических потенциалов ?; всех компонентов полной реакции, то ЭДС ячейки может быть выражена формулой

—=---??,?„ (3.4)

zF zF ,rt ? '

где ?,·— стехиометрический коэффициент компонента i в суммарной реакции ячейки.

Продифференцировав уравнение (3.1) по температуре, получим температурный коэффициент ЭДС ячейки

f дЕ\ 1 / dAG \ AS ,л гх

ЫР= —Ьг)р = 17' (3·5)

где AS — изменение энтропии в полной реакции. 4

Обратимое выделение или поглощение теплоты в электрохимической ячейке определяется величиной

—TAS=—Atf+AG, (3.6)

где АН — изменение энтальпии в полной реакции или ее тепловой эффект. Если A#AG, то в работу превращается больше энергии, чем освобождается при реакции, и ячейка охлаждается. Итак, выделение или поглощение теплоты W при обратимой работе ячейки определяется соотношением

W^AG~AH = - TAS= - zFT . (3.7)

Если воспользоваться уравнением Гиббса — Гельм-„ гольца

? = ?(?-?^-) (3.8)

и формулами (3.1) и (3.5), то можно получить простую зависимость для теплового эффекта реакции

rf[B-T(?-),r <з-9>

Зависимость ЭДС ячейки от давления, особенно важная для газовых электродов, может быть получена из

{Tp~)t^~1f{^7)t = ~^F' (ЗЛ0)

72

АН:

где AV — изменение объема системы при стехиометриче-ском превращении в расчете на 1 моль образовавшегося

газа. Если пренебречь изменениями объемов жидких и твердых фаз, то.

AV = -—, (3.11)

?

и вместо (3.10) получим

(JL\ M*LJ-. (3.12)

\ др /т zF ?

ЭДС или равновесное напряжение ячейки ? зависит не только от температуры и давления, но и от концентраций а (активностей щ) веществ, участвующих в электродных реакциях.

В соответствии с суммарным уравнением процесса разложения воды

Н20-*Нг + ^-Ог (3.13)

для получения 1 м3 (90 г) водорода требуется 805 г воды и 2394 А-ч электричества. Затраченная в этом процессе электроэнергия, кВт-ч, равна произведению количества электричества на падение напряжения на ячейке U (Д):

№эл=2,394и.

Теоретическое значение ЭДС ячейки Ет, необходимой для осуществления обратимой реакции разложения врды, определяется соотношением (3.1)—оно соответствует той части энергии, которую необходимо подвести в виде работы. Тепловой эффект реакции разложения воды равен АН и представляет собой сумму работы и теплоты, затраченных в процессе. Соответствующее этому тепловому эффекту напряжение ячейки Eq—AH/zF носит название термонейтрального напряжения. Оно равно напряжению ячейки в гипотетическом изобарно-изотермическом обратимом процессе, при котором отсутствует тепломассооб-. мен с внешней средой и вся необходимая для реакции энергия (сумма необходимых теплоты и работы) подводится в виде электроэнергии. Поскольку тепловой эффект разложения воды АН очень слабо зависит от температуры, Eq практически постоянно и при электролизе воды с учетом теплоты испарения составляет E'q—1,481 В, а при электролизе водяного пара Е"Ч=\,2Ь В. Доля работы, необходимой для разложения воды, по отношению к полным затратам энергии в электрохимическом процессе ?

73

равна, таким образом, отношению ET/Eq, и, поскольку Ет для воды с ростом ? уменьшается (при атмосферном давлении дЕт/дТ=—0,25 мВ-Kr1). при повышении температуры доля теплоты возрастает и при 7«5000 К практически вся энергия, необходимая для разложения воды, используется в виде теплоты (?»0).

Зависимость Ет и других параметров реакции от температуры приведены в табл. 3.1, где теоретические значения W? и W™* найдены как Сл = 2,394?т = 2,394?^ кВт-ч и Wl™ = 2,394 (Eq - Ет) = 2,394?9 (1 - ?) кВт · ч.

Таблица 3.1. Теоретические значения ЭДС и затраты энергии в реакции разложения воды при p=Q,t МПа

Параметр реакции г, К

298 353 423 473 573 773 1273 2273

Ет, В 1,23 1,18 1,15 1,10 1,04 0,95 0,80 0,50

? 0,83 0,80 0,92 0,88 0,83 0,76 0,64 0,4

W3*t кВт-ч-и-* 2,94

страница 14
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53

Скачать книгу "Введение в водородную энергетику" (2.73Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [прайс-листы]  [форум]  [обратная связь]

 

 

Реклама
аренда светового оборудования москва
Компания Ренессанс: лестницы на второй этаж в леруа мерлен фото и цены - доставка, монтаж.
nadir кресло
Всегда выгодно в KNSneva.ru - ippon купить - КНС СПБ - мы дорожим каждым клиентом!

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(10.12.2016)