химический каталог




Введение в водородную энергетику

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

рохимических ячеек: Н2—Ог и Н2—С12. Термодинамические напряжения для водород-но-кислородной ячейки с морской водой в качестве электролита лежат в интервале 1,25—2,04 В в зависимости от состава воды и других условий проведения процесса. При тех же условиях термодинамические напряжения для водородно-хлорной ячейки составляют от 1,76 до 2,16 В. Значения напряжений этих ячеек связаны с током тафелевской зависимостью (3.15), токи обмена анодных реакций для ячеек Н2—02 и Н2—С12 составляют соответственно 10~10 и Ю-3 А-см-2. Реализация хлорной и кислородной реакции на аноде определяется соотношением конкурирующих величин: перенапряжения и кислотности среды. Последняя сильно зависит от условий перемешивания.

При качественном анализе процесса можно пренебречь различием перенапряжений на катоде при высоких плотностях тока и исключить из рассмотрения омическое падение напряжения, считая его для обеих ячеек одинаковым. Тогда из сопоставления термодинамических напряжений ячеек следует, что при U—//?> 1,8 В в случае электролиза морской воды на аноде одновременно с выделением кислорода начнется активное выделение хлора. Поскольку (h)ci~^c\p> Wn2o-*u2 · с Ростом U—IR выход хлора возрастает сильнее, чем выход кислорода, — вплоть до U—Щ^2,2 В, после чего дальнейший рост выхода хлора ограничивается предельной плотностью тока ионов хлора. Таким образом, при 1,8 ?=??/—iR^2,2 В содержание хлора в выделяющихся на аноде газах максимально. При увеличении U—IR примерно до 2,6 В содержание хлора в кислороде будет уменьшаться.

Предельная плотность тока ионов хлора в растворе, как показывают расчеты, составляет около 0,4 А-см-2. Однако уже при достижении плотности тока ионов хлора 0,04 А-см-2 концентрационное перенапряжение возрастает настолько, что при применяемых на практике напряжениях ячейки предельная плотность тока ионов хлора практически не достигается. Увеличение напряжения ячейки до U—1R^2,Q В и плотности тока до 1 А-см-2 и выше практически весьма сложно в связи с резким возрастанием омического падения напряжения и увеличением тепловыделения в растворе. С другой стороны, электролиз морской воды при U—IR ^ 1,8 В, когда выделение хлора практически несущественно, требует проведения дорогостоящих мероприятий по уменьшению анодного перенапряжения (дорогие катализаторы, применение деполяризации анода, специальная структура поверхности анода и др.) и осуществляется при малых плотностях тока, что приводит к большому удорожанию установки.

В связи с этим при электролизе морской воды на аноде практически всегда будет выделяться одновременно с кислородом большое количество хлора и возникают проблемы его утилизации на месте производства и связанные с этим вопросы защиты окружающей среды, что также приводит к существенному удорожанию установок.

3.4. Технико-экономические показатели производства водорода путем электролиза воды

Общий объем производства водорода путем электролиза воды в настоящее время относительно невелик. Электролизное производство водорода рассредоточено по

94

многим отраслям промышленности, и точных сведений о его объеме в различных странах нет. Различные оценки мирового производства колеблются от 1,5 до 2,5 млрд. м* в год с расходом электроэнергии от 9 до 15 млрд. кВт-ч. Крупномасштабное производство водорода электролизом развивается в основном в странах, не имеющцх крупных ресурсов природного газа и нефти и богатых гидроэнергоресурсами.

Промышленное производство осуществляется как с помощью отдельных маломощных электролизеров (10— 20 кВт), так и на крупных специализированных заводах. Наиболее крупные заводы, расположенные в Канаде (г. Трейль, элекролизеры фирмы «Коминко»), в Нор-вергии (фирма «Норск — Гидро» в г. Рюкан, электролизеры Зданского — Лонца), в Индии (г. Нангал, электролизеры фирмы «Динора») и в АРЕ (г. Кима, мощные электролизеры «Демаг»), обладают производительностью по водороду 20—30 тыс. м3-ч-1 при мощности электролизных установок 130—200 МВт.

В Советском Союзе наибольшее распространение имеют большие электролизеры типа ФВ-500 мощностью 2,5— 3 МВт и небольшие электролизеры серий ЭФ и СЭУ мощностью 50—150 кВт. Большие электролизеры используются на предприятиях по производству аммиака, а маломощные — на электростанциях (для систем водородного охлаждения), в пищевой промышленности (для гидрирования жиров), в производстве полупроводников и в других отраслях промышленности.

Прежде чем перейти к более детальному технико-экономическому анализу затрат на производство товарного водорода электролизом воды, необходимо сделать некоторые предварительные замечания.

'Как показано выше, реальные затраты электроэнергии на производство 1 м* водорода существенно зависят от плотности тока. Применяя малые плотности тока и катализаторы из благородных металлов, можно существенно повысить КПД электролиза, однако при этом уменьшится производительность агрегата и возрастут удельные капитальные затраты на единицу продукции. Таким образом, для каждого типа электролизера существует оптимальная плотность тока и тем самым оптимальный КПД (не обязательно максимально возможный), обеспечивающие минимум затрат на производство водорода. При этом оптимальный режим работы электролизера будет зависеть не только от его конструкции, но и от схемы и конструк-

95

ции всей энерготехнологической установки, в состав которой входит электролизер. В дальнейшем мы будем полагать, что электролизер согласован с установкой в целом, т. е. что его номинальный режим работы соответствует оптимальным плотности тока и КПД в указанном смысле.

Данные различных авторов о капитальных затратах на электролизные установки в ряде случаев не вполне согласуются между собой, так как используются различные методы их оценок. В качестве примера ниже приведены капитальные затраты, тыс. руб., на электролизную установку на базе электролизера ФВ-500, состоящего из 156 ячеек с площадью электродов 3 м2 номинальной производительностью 500 м3 Н2-ч-1 (по данным завода-изготовителя, 1975 г.):

Электролизер -|- вспомогательное оборудование

Оборудование подстанции .....

Распределительное устройство .... Бак для приготовления раствора Устройство для очистки воды .... Производственное помещение электролизера Производственное помещение подстанции

Из этих данных видно, что капитальные затраты на электролизную установку могут существенно изменяться в зависимости от учета или неучета тех или иных составляющих и в зависимости от того, в составе какой энерготехнологической установки работает электролизер, т. е. в зависимости от того, нужны или не нужны специальная трансформаторно-выпрямительная подстанция и хранилища для водорода, от стоимости производственных площадей и т. д. Часто принимают, что полные капитальные затраты на установку могут быть оценены как стоимость основного оборудования, увеличенная в 1,5—2 раза. Из приведенных данных видно, что эта оценка может быть использована в качестве первого приближения.

Поскольку номинальный режим работы электролизера в составе энерготехнологической установки оптимизирован по минимуму затрат на единицу продукции, при технико-экономическом анализе удобно использовать значения удельных капитальных затрат на единицу электрической мощности, подведенной к электролизеру. При этом оптимизация номинального режима сказывается главным образом на величине КПД и в меньшей степени —на значениях удельных капитальных вложений.

Затраты на производство электролитического водорода сильно зависят от стоимости электроэнергии. Стои-

96

143,8

25

35

1

2

61,5 30

мость электроэнергии составляет не менее 1 копХ Х(кВт-ч)-1 (в пересчете на условное топливо 81,5 руб-т~!) в базисном режиме, в связи с чем при использовании базисной электроэнергии затраты на получение электролитического водорода в пересчете на условное топливо не могут быть ниже 90—100 руб-т~!. Замыкающие затраты на электроэнергию в часы провала графика нагрузки существенно ниже, чем 1 коп-(кВт-ч)-1, и, казалось бы, используя «провальную» электроэнергию, можно снизить стоимость электролитического водорода. При этом, однако, как общая мощность электролизеров, использующих «провальную» электроэнергию, так и число часов в году, в течение которых может использоваться «провальная» электроэнергия, определяются графиком нагрузки, т. е. структурой электрогенерирующей и электропотребляющей систем в целом. До тех пор, пока суммарная мощность электролизеров, потребляющих «провальную» электроэнергию для электролиза воды, существенно меньше глубины провала графика нагрузки, вид графика нагрузки сохраняется неизменным и замыкающие затраты на «провальную» электроэнергию практически не изменяются. Таким образом, возможные масштабы производства электролитического водорода за счет дешевой «провальной» электроэнергии ограничены.

Имея в виду сделанные замечания, проведем более детальные оценки технико-экономических показателей процесса получения водорода из воды путем электролиза.

Расчетные затраты на получение водорода при указанных выше ограничениях определяются соотношением

зн = -^ + ^ 100, коп-(кВт-ч)-\ (3-21)

где са—стоимость электроэнергии, подводимой к электролизеру, коп-(кВт-ч)-1; т)эл — КПД электролизера; ? — постоянная часть ежегодных расходов, принимаемая в наших расчетах равной 0,24, включая нормативный коэффициент эффективности капиталовложений 0,12, годовые амортизационные отчисления, расходы на текущие и капитальные ремонты и зарплату персонала; ? — число часов работы электролизера в году; йуд — удельные капитальные затраты на электролизное оборудование, руб. на 1 кВт электрической мощности, подведенной к электролизеру.

Если использовать для получения водорода «провальную» электроэнергию как наиболее дешевую, можно существенно снизить вклад в расчетные затраты первого слагаемого в формуле (3.21). Однако, как показывает

7-13 97

график нагрузки, обеспечить электролизер «провальной» электроэнергией можно лишь в течение нескольких тысяч часов в году. При этом увеличивается роль второго слагаемого. Если использовать более дорогую «базисную» электроэнергию, т

страница 19
< 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
самодельный булерьян
установка парктроника в спб
'nf;thrf regbnm
дизайнерская урна для мусора

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
(08.12.2016)