химический каталог




Введение в водородную энергетику

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

4.20) при экви-молярном составе исходного газа связано с относительно малым количеством теплоты, необходимой для нагрева до температуры десорбции лишь половины (по молярному составу) исходного сырья.

136

Электрохимическое разделение

Водород можно отделить от побочных продуктов, используя электрохимическую схему, показанную иа рис. 4.21. Исходная газовая смесь поступает иа анод, где водород иа поверхности электрода вступает в контакт с твердым полимерным электролитом. Под действием внешнего электрического поля водород преобразуется в протоны, которые движутся через твердополимерный электролит к катоду, рекомбинируя на нем в молекулы чистого водорода. Прилагаемое при этом электрическое напряжение расходуется, во-первых, на преодоление потерь со-

Pok

2» +2r-~tiz

|Pt)2 AM

Ц2—2Н+2е-

Рис. 4.21. Принцип электрохимиче- Рис. 4.22. Эффективность элек-

ского процесса разделения: трохимического разделения

4 — анод; К — катод; ТПЭ — твердополимерный электролит

противления и, во-вторых, иа подъем давления от его парциального давления Рн„на аноде до катодного давления р0:

0,059

, = //? +

1ч {Ро/Рн,.

(4.67)

Эффективность этого метода выделения водорода представлена иа рис. 4.22 в предположении, что реально требуемая работа иа электрохимическое сжатие вдвое больше обратимой работы, определяемой уравнением Нернста. Монотонный рост эффективности разделения объясняется сближением значений электрохимической и теоретической работ разделения при стремлении молярного содержания водорода в смеси к 100 %.

Выбор того или иного конкретного способа разделения газов — продуктов термохимического или комбинированного разложения воды — определяется технологическими условиями производства и дальнейшего потребления водорода и сопутствующих продуктов и, разумеется, в конечном итоге — экономическими соображениями, особенно при массовом производстве.

4.5. Технико-экономические показатели термохимических и комбинированных методов получения водорода из воды

Оценка технико-экономических показателей для многих разрабатываемых в настоящее время термохимических и комбинированных методов крупномасштабного производства водорода из воды может быть сделана лишь весьма приблизительно, поскольку сегодня еще нет рабо-

137

Таблица 4.4. Технико-экономические показатели Термохимических

Циклы Основные химические реакции и реагенты

Группа цинк-се» леновых термохимических ZnO, Se, S02, ZnSe, HaS04, ZnSO* HaSe, SO», HC1, ZnCl2, H20

Железохлорный термохимический 3FeCl2+4H20^-Fe304+6HCl-fH2 Fe304+8HCl->FeCl2+2FeCl3-|-4HsO С1я+Н2О->2НС1-т-0,5Оя 2РеС1з-^2РеС12Ч-С12 Сернокислотный Марк-11 комбинированный S02+2H20->H2S04-fH2 (электролиз) HjSO^HjO+SOrfO.SOs, Марк-13 комбинированный SOH-Br^HsO-^HBr-frbSCu (электролиз) 2HBr->H24-Br2 H2S04->H20 + SO2+0,5O2 Марк-16 термохимический 2H20-fS02-fjcIr^H2S04+2HIJC 2HI*-*-H2+*l2 H2SO4->H2O+SO2+0,5O2 Гидриднолитие-вый комбинированный H2O42Li^-2LiH-f0,5O2 (электролиз) 2LiH->2Li+H2 Метан-метанольный комбинированный сн4+н2о^-ссч-зн» СОг+Нг-^СНзОН CH3OH^-CH4-4-0,5O2 (электролиз) * В пересчете на 1 ? условного топлива.

Тающих крупных промышленных или опытно-промышленных установок. Из всего многообразия известных в литературе термохимических и комбинированных циклов только для нескольких детально изучены термодинамика и кинетика процессов на лабораторных установках и лишь единицы из них реализованы в виде замкнутых циклов в лабораторных условиях. В табл. 4.4 приведены наиболее достоверные оценки технико-экономических показателей процессов получения товарного водорода из воды в термохимических и комбинированных циклах с использованием теплоты от ВТЯР по данным [73—81]. В [73] расчетным путем получены оценки затрат для циклов Марк-11

138

и комбинированных .процессов получения товарного водорода из воды

Характерные температуры цикла, К Число стадий Характерная температура источника, К Эффективность процесса 1= =4№>1„/Q, % КПД преобразования энергии, % Расчетные затраты на получение водорода, руб.* Источник

Макс маль- ные 1200—1000 5-6 1250 40—42 34,0— 35,5 230—280 [74]

1200—1000 400—750 1100—1300 600—1100 4 1250 28—35 24—30 — [79]

350 1000—1100 2 1100—1200 40—50 34-42 145—220 [73, 75, 77, 58]

320—370 380—400 1100—1200 3 1100—1200 37—45 31—38 170—210 [73, 77, 58]

300 600 1100 3 1100—1200 33—41 30,4— 34,6 — [58]

550—800 970—1200 2 1100—1200 42—48 35—40,6 — [81]

1100 520 470 3 1100—1200 33—40 28—34 — [80]

и Марк-13 в результате оптимизации процессов и детальных схем установок по минимуму затрат с использованием данных лабораторных исследований. При этом в расчетах учтены потери на необратимость при проведении химических реакций, но не учитывались потери энергии в окружающую среду от теплообменников, трубопроводов и т. д. Детальный анализ технико-экономических показателей термохимических циклов цинк-селеновой группы, же-лезохлорного процесса, комбинированных циклов Марк-11, Марк-13 и некоторых других процессов выполнен в [58, 73, 79]. В этих работах проанализированы также схемы установок, потоки веществ и энергии, потери энергии вслед-

139

ствие необратимости процессов п т. д. В результате этих расчетов определены эффективность процесса разложения воды ? = ?//0298/?), где ?#°298 — высшая теплота сгорания 1 моля водорода в кислороде, Q — теплота энерго-источиика, затраченная на разложение 1 моля воды в цикле.

В табл. 4.4 приведены также значения КПД процесса преобразования энергии ядерного источника в химическую энергию водорода, рассчитанные по низшей теплоте сгорания — так, как это делалось ранее при анализе процессов электролиза. Следует подчеркнуть, что в комбинированных термоэлектрохимических циклах КПД преобразования энергии и затраты на получение водорода существенным образом определяются эффективностью работы электролизера, осуществляющего электрохимическую стадию процесса, в частности для процесса Марк-11 при изменении напряжения ячейки электролизера от 0,8 до 0,62 В эффективность процесса возрастает от 37 до 41,4 %, а затраты на водород снижаются на 12 % [58].

На рис. 4.23 приведены зависимости ХПД преобразования энергии и затрат на получение водорода в циклах Марк-11 и Марк-13 от напряжения электрохимической ячейки и стоимости энергии ВТЯР по данным [73]. При прочих равных условиях (одинаковая максимальная температура процесса, одинаковые характеристики энергоисточника, одинаковая производительность установок и т. д.) конкурентоспособность термохимических и комбинированных циклов с процессами электролиза воды для производства товарного водорода будет определяться сравнением капитальных затрат на «энергохимиче-

Рис. 4.23. Технико-экономические показатели цикла Марк-11 [73]:

а— в зависимости от напряжения на ячейке электролизера: / — КП цент .процесса; 2 — стоимость водорода; тепл,~~а— б — стоимость водорода в зависи-'КИТ-ч мости от стоимости первичной энергии

0,85 , 0,92г - 5] 0

140

скую часть установки и КПД процесса преобразования энергии. При использовании ВТЯР в качестве энергоисточника для низкотемпературного электролиза значение КПД преобразования энергии по имеющимся оценкам не превосходит 25—30%, а для высокотемпературного электролиза оно может достигать 35—40%. Капитальные затраты на энергохимическую часть установки для термохимических и комбинированных циклов больше, чем для процессов электролиза, они составляют более 1000 долл. на 1 м3^-1 Н2 [77, 79]. Это связано в первую очередь с тем, что из-за малой молекулярной массы водорода даже при хорошей кинетике процессов и минимальной рециркуляции реагентов в реакциях в большинстве циклов участвуют большие массы реагентов — до нескольких сотен тонн на 1 ? получаемого водорода [79].

Потоки массы реагентов в теплообменниках, реакторах, абсорберах и других аппаратах установки оказываются весьма велики, что приводит к большим масштабам установок, большим капитальным затратам и увеличению затрат энергии на собственные нужды установки при возрастании масс реагентов. Таким образом, конкурентоспособными для производства товарного водорода в будущем, по-видимому, смогут оказаться только те термохимические и комбинированные циклы, для которых КПД преобразования энергии не ниже, чем для электролиза, т. е. составляет не менее 30—35 %. Кроме того, можно ожидать, что при прочих равных условиях те циклы, в которых используются более легкие реагенты (например^, гидриднолитиевый, метан-метанольный, сернокислотный Марк-11), смогут быть реализованы с меньшими капитальными затратами, чем циклы, в которых в качестве реагентов используются вещества с большими молекулярными массами.

В настоящее время во многих лабораториях созданы и создаются пилотные установки различной производительности для реализации термохимических и комбинированных циклов разложения воды. Опыт эксплуатации этих установок позволит сделать более определенные заключения о технико-экономических показателях таких процессов. При реализации разомкнутых термохимических и комбинированных циклов затраты на получение товарного водорода могут оказаться более низкими, так как в таких циклах кроме водорода получаются и другие, во многих случаях более дорогостоящие, чем водород, продукты,

141

Глава пятая

Другие методы получения водорода из воды

5.1. Плазмохимические методы получения водорода

В последние годы советскими специалистами предложены и активно разрабатываются плазмохимические методы получения водорода и других энергоносителей в неравновесных ВЧ-и СВЧ-разрядах [82—96]. Эти процессы реализуются в неравновесной слабоионизированной плазме. Высокие скорости потоков реагентов, большие объемные плотности энергии и большие скорости протекания реакций, характерные для таких систем, позволяют добиться высокой производительности агрегатов при их сравнительно небольших объемах, металлоемкости и простоте технологического цикла.

Важная особенность химических процессов

страница 27
< 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
строительные материалы лермонтов
дизельный конвектор отопления
экспострой на нахимовском сантехника
Рекомендуем компанию Ренесанс - складные лестницы на чердак купить - всегда надежно, оперативно и качественно!

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
(03.12.2016)