химический каталог




Введение в водородную энергетику

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

ией газофазного реагента и образованием хемосор-бированного комплекса

С02*(Г) + С(г)->С(0)+СО(г), (5.25)

где С (О) — хемосорбированный на поверхности углерода атом О, и десорбцией хемосорбированных комплексов, которая в случае хемосорбированного кислорода происходит только в виде окислов [87]

С(0)->СО(г). (5.26)

Описываемый гетерогенный процесс открывает возможность получения СО с энергозатратами около 1 эВ на 1 молекулу С02, что практически в 3 раза эффективнее процесса разложения С02 в плазме. Полученная в результате этого процесса окись углерода может быть использована затем для получения водорода из воды в термохимической реакции сдвига.

При получении водорода с помощью угля в реакции паровой газификации колебательное возбуждение молекул водяного пара в неравновесной плазме позволяет существенно интенсифицировать процесс, причем в этом случае необходимые для эффективного протекания реакции разложения воды на поверхности частиц углерода температуры электронов Те и степень диссоциации оказываются существенно ниже тех, которые необходимы для плазмохи-мического разложения водяного пара [86].

Плазмохимические методы позволяют получать водород и СО с энергетической эффективностью 50—80%'. Экспериментально установлено, что КПД прямого разложения воды в ВЧ- и СВЧ-разрядах может достигать 30—40% при степени диссоциации пе/п0^\0~5, а процесса разложе-

153

ния COi до СО — 80%· Поэтому, по-видимому, более эф фективными окажутся схемы, в которых процесс получе ния водорода и воды протекает в две стадии — с предварительным получением СО. При этом для установок большой производительности по водороду можно ожидать затрат электроэнергии около 4,5—5 кВт-ч-м~3Н2, что близко к энергозатратам на разложение воды путем электролиза. Как было показано в гл. 3, энергозатраты на разложение воды электролизом, по-видимому, в перспективе будут составлять около 4 кВт-ч-м~3Нг, однако по производительности на единицу реакционного объема электролиз в силу поверхностного характера электродных реакций будет существенно уступать плазмохимическим методам. Поэтому можно ожидать, что плазмохимические методы разложения воды окажутся конкурентоспособны с электролизом, а в-тех случаях, когда производительность единичных агрегатов будет иметь решающее значение, эти методы смогут иметь преимущество перед электролизом.

Весьма сложной и важной для реализации плазмохимических процессов получения водорода задачей является создание методов и устройств для разделения продуктов плазмохимической реакции, соответствующих по производительности плазмохимическому реактору. Особенно сложным оказывается разделение СО и Ог. При этом традиционные методы не могут быть использованы эффективно либо из-за близости масс СО и 02 (при центрифугировании), либо из-за значительного энергопотребления и больших объемов системы (при низкотемпературной ректификации). Более перспективным может оказаться разделение СО и Ог в плазме за счет селективных реакций, использующее значительное различие в скоростях колебательного возбуждения этих молекул, однако и этот подход приводит к заметному увеличению суммарных энергозатрат. Применение для разделения продуктов реакции токонепроводящих полимерных мембран затруднено отсутствием материалов, обладающих одновременно высокими селективностью и проницаемостью. Совмещение этих двух характеристик может быть достигнуто применением электролитических мембран с кислородной проводимостью о для выделения кислорода из смеси [91]. При создании на мембране (например, в твердом электролите из окиси циркония, стабилизированной ?2?3) толщиной ? перепада давлений pi/pe возникает разность потенциалов

2е ре

154

которая в случае замыкания цепи (при малом сопротивлении на границе раздела фаз) приводит к протеканию через мембрану ионного тока плотностью

i=-~oT,ltx-^, .(5.28)

8т. е. к сепарации кислорода из реактора.

Для согласования плазмотрона с рассматриваемым блоком разделения следует сопоставить объемную скорость газа через СВЧ-реак-тор (0,03—0,1 л-см~2-с"1) и плотность тока через мембрану. На рис. 5.9 видно, что при толщине мембраны до 3 мкм такое согласование вполне возможно, при этом требуемая температура может поддерживаться за счет потерь теплоты в плазмохимической блоке. Использование в качестве сепаратора электролитической мембраны требует исключения на ней обратной реакции окисления СО. Даже при отсутствии во-дородсодержащих примесей такая реакция накладывает достаточно жесткие ограничения на допустимые значения Т0 и ?; при этом предполагаемое уменьшение толщины мембраны и рациональный выбор материала электрода позволяют, по-видимому [92], повысить максимальную допустимую температуру от 700—800 до 1300 К. У поверхности электролита (в частности, благодаря термоионной эмиссии) может возникнуть заметная концентрация ионов кислорода, также окисляющих СО в реакции ассоциативной ионизации. Как показывают оценки [91], при Т0ж 1000 К этой специфической обратной реакцией можно пренебречь.

В настоящее время исследуются и другие способы разделения продуктов плазмохимического синтеза, например связывание получаемого кислорода путем окисления серы и других реагентов [95]. От успешного решения проблемы разделения реагентов в большой степени зависят масштабы использования в промышленности тех или иных плазмохимических методов получения водорода.

155

0,3 1 3 10 30 ?>??

Рис. 5.9. К определению толщины разделительной мембраны:

1 — скорость движения газа через СВЧ-реактор; 2 —плотность тока через мембрану

Плазмохимический способ получения водорода открывает возможность эффективного использования некоторых нетрадиционных видов сырья, например сероводорода [93]. В настоящее время сероводород, подвергающийся промышленной переработке, используется только для производства серы, а слабосвязанный водород (средние энергии связи в молекулах сероводорода, метана и воды составляют соответственно 389,1; 414,6 и 463,6 кДж) при этом прочно связывается с кислородом. Наиболее распространен метод Клаусса, основанный на окислении сероводорода кислородом воздуха:

H2S+y02-*H20+S02;

S02+2H2S->2H20+3S.

В плазмохимической реакции водород из сероводорода можно получать практически с теми же энергозатратами, что и из метана, а экономически это может оказаться даже выгоднее, поскольку «побочный» продукт — сера — дороже углерода. Процесс разложения сероводорода в неравновесной плазме СВЧ-разряда

H2S->HS+H; HiS^H+S

характеризуется относительно невысокими энергозатратами при достаточно большой степени диссоциации. Экспериментально показано [93], что затраты на получение

могут составлять около 1 кВт-ч-м-3 Н2 при степени диссоциации сероводорода <х=0,4 (рис. 5.10). При оптимальной организации разряда степень диссоциации H2S в реакторе может быть повышена. Этот метод получения водорода и серы из сероводорода, разрабатываемый советскими специалистами [93], может оказаться весьма эффективным и, по-видимому, найдет широкое применение в промышленности. 156

водорода таким методом

?,кВт-ч-м ^Нг

1,4 1,6 1,8 2fl 2,2 2,4 2fiE0,^-m^

Рис. 5.10. Зависимости энергозатрат на молекулу водорода и степени конверсии сероводорода от удельного энерговклада: /-?(?„); 2-?(?0)

Технико-экономические оцейкй для пЛазмохимйческих методов производства водорода на настоящем этапе их развития едва ли могут быть вполне убедительными, однако отмеченные выше преимущества позволяют надеяться, что получение водорода в неравновесной плазме может оказаться весьма перспективным и с этой точки зрения. Это дает основание считать, что в различных энерготехнологических схемах производств с получением водорода из воды электрическими методами будут находить применение как электролиз, так и плазмохимические методы. Целесообразность использования того или иного процесса будет при этом определяться всей структурой производства, оптимизированной по минимуму затрат на конечную продукцию.

5.2. Прочие методы получения водорода

Многие разработки новых методов производства водорода из воды ориентируются на использование возобновляемых энергоресурсов, в первую очередь солнечной энергии, и других нетрадиционных источников энергии, в частности энергии ядерных излучений. В настоящее время перспективность этих методов для крупномасштабного производства водорода еще не вполне ясна, так как их технико-экономические показатели для крупномасштабных производств по предварительным оценкам оказываются пока хуже, чем для электролиза, плазмохимических, термохимических и комбинированных циклов.

Фотокаталитическое разложение воды

Огромные ресурсы солнечной энергии и ее роль в энергетическом балансе Земли хорошо известны. Всего лишь двухнедельная доза солнечной энергии, падающей на поверхность Земли, оказывается сравнимой с общими мировыми запасами органического топлива. Крайне малая доля этой энергии, всего около 0,03%, превращается в химическую в процессах фотосинтеза, вся остальная энергия в конечном итоге рассеивается в мировом пространстве. Максимум солнечной активности лежит в желто-зеленой области спектра и соответствует излучению черного тела с температурой около 5800 К.

Наиболее эффективными считаются два пути преобразования солнечной энергии: природный фотосинтез и фотоэффект в полупроводниках. В первом из них в результате поглощения 8 фотонов света пигментами типа хлорофилла происходит разложение воды, связанное в идеальном случае с переносом 4 электронов при разности равновесных потенциалов кислородного и водородного электродов 1,23 В. В полупроводниковых солнечных батареях происходит прямое преобразование световой энергии в электрическую в результате образования электронно-дырочных пар при оптическом междузонном переходе с последующим разделением зарядов в поле ? —* ?-перехода.

157

Основной характеристикой преобразователей является их эффективность. Она принципиально ограничена тем, что из-за наличия в спектре солнечного света широкого набора энергий фотонов в приемниках излучения с определенной границей поглощения ?

страница 30
< 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
brother mfc l5700dn
мифепристон как действует при прерывании беременности
монтаж видео трансляции в торговом зале
http://www.kinash.ru/etrade/detail/4172/1026377/1.html

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
(17.12.2017)