химический каталог




Введение в водородную энергетику

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

осернистой нефти. Таким образом, только для нужд традиционных потребителей нашей стране в 2000 г. потребуется большое количество водорода. В связи с этим становится весьма актуальной задача разработки новых методов крупномасштабного производства дешевого водорода из воды и частичного или полного вытеснения природных газообразных и жидких топлив из цикла производства водорода. ,

Еще более значительного повышения потребления водорода в перспективе можно ожидать, если начнет быстро развиваться производство синтетического жидкого топлива на базе дешевых канско-ачинских углей. 28

В соответствии со структурой потребления водорода, существующей в настоящее время и прогнозируемой на будущее, всех потребителей водорода можно условно разделить на три категории.

1. К первой относятся потребители, использующие для производства конечного продукта природные топлива, производящие водород из этих природных топлив и потребляющие его на месте в цикле производства конечного продукта. При этом в цикле производства используются и другие продукты, получаемые из природного топлива наряду с водородом. К этой категории относятся крупнейшие потребители водорода — предприятия по производству аммиака, метанола и частично НПЗ, а также ряд мелких. Для этих потребителей вытеснение природных топлив из цикла производства товарным синтетическим водородом связано с. существенным изменением технологии производства. Естественно, что целесообразность и этапность такого вытеснения будут определяться сравнением затрат на производство конечного продукта по той или иной технологии, а не на производство водорода.

2. Ко второй категории потребителей относятся отрасли, потребляющие в настоящее время товарный водород. На нужды этих потребителей сейчас расходуется менее 10% общего потребления водорода. Ко второй категории относятся также НПЗ, использующие водород, производимый на специальных установках, металлургическая и металлообрабатывающая отрасли промышленности, пищевая промышленность, некоторые потребители жидкого водорода и многие другие предприятия и отрасли промышленности. Некоторые из этих потребителей в настоящее время используют дорогой электролитический водород, так как требования к чистоте водорода у многих из них достаточно высоки. Целесообразность и этапность более широкого использования потребителями второй категории товарного водорода будет определяться его стоимостью на месте потребления при получении по той или иной технологии.

3. К третьей категории относятся новые возможные потребители водорода: автотранспорт, авиация, в энергетике—? пиковые электростанции, установки малой энергетики и автономные энергетические системы, в металлургии — установки для прямого восстановления металлов из руд и ряд других потребителей в различных областях народного хозяйства. Развитие этих областей потребления водорода связано с созданием ряда новых технологий в различных отраслях народного хозяйства. Масштаб потребления во-

29

дорода потребителями этой категории будет определяться

не только разработкой новых методов производства дешевого водорода, но и темпами разработки новой технологии его потребления в отдельных областях народного хозяйства. Следует ожидать, что по мере развития методов получения дешевого водорода и разработки технологии его потребления будут появляться новые области крупномасштабного потребления водорода.

1.3. Методы производства водорода из природных топлив

Конверсия природных газообразных топлив

В настоящее время большая часть промышленного крупномасштабного производства водорода основана на конверсии углеводородов и прежде всего природного газа. При этом основными технологическими процессами являются каталитическая паровая конверсия и парокисло-родная конверсия.

Паровая конверсия

В процессах паровой каталитической конверсии углеводородов в качестве исходного сырья и реагентов используются природный газ, состоящий на 95—99 % из метана, сухие газы нефтепереработки, бензин и водяной пар (сопутствующий продукт — двуокись углерода). Полная .конверсия протекает в две стадии: первая (частичная конверсия) — паровая конверсия гомологов метана преимущественно в метан на начальном участке реакционной зоны и вторая — конверсия метана с получением водорода и окислов углерода. Конверсия метана водяным паром описывается реакциями

СН4+Н2О^СО-г-ЗН2—206,4 кДж; (1.1) СО+Н2Оч±СО2+Н1+41,0 кДж. (1.2) Константы равновесия реакций (1.1), (1.2) выражаются уравнениями

_ РсоР*н2 .

к __ рс°>рн> * РсоРн.о'

где рсо, Ршг, рсо2, рсн4, Рн2о — парциальные давления соответствующих компонентов равновесной смеси, которые в литературе обычно выражены в физических атмосферах (табл. 1.13).

Результирующей для реакций (1.1) и (1.2) является реакция

СН4+2Н2СЬ±С02+4Н2. (1.3)

30

Гомологи метана С2—Сю менее устойчивы при равных температурных условиях, чем метан, поэтому уже при 600 К оии присутствуют в конвертированном газе в ничтожных количествах.

Процесс паровой конверсии углеводородов, как правило, проводят с подводом теплоты через стенку реактора. Количество подводимой теплоты может быть определено по уравнению теплового баланса [17].

Таблица 1.13. Константы равновесия реакций (1.1) и (1.2)

Температура, К Кг ?? Температура, К ?? К,

473 2,279 10« 773 9,442· 10—» _

523 — 8,651 10 873 5,029-10—1 —

573 6,378-10-8 3,922 10 973 1,21410 —

623 2,483· Ю-» 2,034 10 1073 1,644-10» —

673 5,732· Ю-' 1,170 10 1173 1,440-10» —

723 8,714-10-« 7,311

Режим паровой каталитической конверсии углеводородов должен обеспечить получение технического водорода с содержанием чистого водорода 95—98 %. Водород такой концентрации может быть получен соответствующим выбором давления, температуры и соотношения компонентов пар — метан. Стехиометрический расход пара на конверсию метана должен составлять 2:1, однако, при таком соотношении реакция имеет малый выход. Поэтому обычно на 1 м3 метана при низком давлении (около 1 МПа) подводят не менее 3 м3 пара, а при давлении около 2 МПа необходимый расход пара возрастает до 4—5 м3. Максимально допустимая температура процесса зависит от давления, диаметра реактора, качества стали. .

Выбор температуры и давления для процесса паровой конверсии нефтезаводских газов, а также бензина определяется теми же факторами, что и для конверсии метана или природного газа.

Освоение термически стойких палладиевых мембран позволяет вести паровую конверсию метана с непрерывным выводом водорода из зоны реакции через мембрану, сдвигая тем самым равновесие реакции (1.1) в сторону продуктов реакции. Так, при давлении 2 МПа, отношении компонентов пар — метан, равном 3:1, и парциальном давлении водорода в остаточном газе 0,16 МПа степень конверсии метана достигает 1 при выводе водорода уже при 823 К, в то время как без вывода водорода степень конверсии 0,9 может быть достигнута только при 1153 К. Количество чистого водорода, получаемого за мембраной, разумеется, определяется также парциальным давлением водорода в газе на выходе из реактора. С повышением температуры растет и парциальное давление водорода в газе, а это в свою очередь интенсифицирует диффузию водорода через мембрану. Характеристики процесса

31

Таблица 1.14. Основные характеристики процесса паровой конверсии метана

Характеристика

Значение

Характеристика

Значение

Давление, МПа

Температура, К

Отношение компонентов пар—метан

Парциальное давление водорода в остаточном газе, МПа

Выход, м3м—3:

водорода (1000/о-иого) остаточного газа

2,0

1000

2:1

0,3

3,23 1,65

остаточного газа,

Состав

'А-

Н2 СО

соа сн4

н2о

Степень конверсии метана Степень извлечения водорода

15,2 17,5 39,6 3,5 24,2 0,94 0,93

паровой конверсии метана с постоянным выводом водорода из зоны реакции приведены в табл. 1.14.

Процессы паровой конверсии углеводородов протекают на активной поверхности катализатора. В условиях развитой паровой конверсии соотношение между окислителем (водяным паром) и восстанавливающими компонентами (СО и Н2) таково, что реакции восстановления преобладают над реакциями окисления и никель на большей части катализатора находится в восстановленном состоянии. На входе в реактор при 700 К конверсия еще не идет, поэтому на участке протяженностью от 1 до 3 м процессы окисления преобладают, и этот участок реактора работает практически только как подогреватель углеводородов и пара. Восстановление катализатора, в котором никель окислился, не является принципиально сложным; если же произошло образование алюмината никеля

NiO+Al203->-NiAl204,

то требуется восстановление катализатора водородом при 1073 К.

Газ, полученный в процессе паровой конверсии по реакции (1.1), содержит наряду с водородом метан, окись и двуокись углерода. Концентрация окиси углерода в газе, полученном при конверсии различного углеводородного сырья, колеблется от 6 до 20 %, а в газе, полученном газификацией мазута, достигает 45 %. В результате конверсии окиси углерода водяным паром по реакции (1.2) получается дополнительное количество водорода, эквивалентное содержанию в газе СО. Реакция (1.2) протекает без изменения общего объема реагентов, сопровождается выделением теплоты. С понижением температуры равновесие смещается в сторону образования водорода и двуокиси углерода. С целью повышения производительности процесса конверсию окиси углерода проводят в две стадии: иа первой при температурах 623—673 К применяют высокотемпературный, железохро-

ш

мовый катализатор, на второй при 493—523 К —- низкотемпературный медный.

При" получении водорода методом паровой каталитической конверсии углеводородов газ после конверсии окиси углерода подвергают очистке от двуокиси углерода и сернистых компонентов.

Реальный КПД современных установок производства водорода методом паровой каталитической конверсии углеводородов составляет §0—65 %, так как значительная часть теплоты теряется в холодильниках, а также через стенки печей, аппаратов, коммуникаций, с выбрасываемыми в атм

страница 6
< 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
крыша из металлочерепицы обнинск
купить часы tommy hilfiger
Atmos D 20
каркасные металлические стеллажи

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
(05.12.2016)