Энергетическая эффективность ряда способов получения водорода Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ

Т 52 (2) ХИМИЯ И ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ 2009

УДК 621. 1 .016. 7

А.М. Дубинин, Г.Р. Кагарманов, А.В. Финк ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЯДА СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

(Уральский государственный технический университет) E-mail: gkagarmanov@mail. ru

Приведен сравнительный анализ по затратам топлива для четырех способов производства кг водорода как экологически чистого топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС): паровой конверсией метана и углерода твердого топлива, пиролизом метана и электролизом воды. Показано, что теплоты от сгорания произведенного кг водорода получается в 1,12; 1,37; 1,815 и 1,77раза меньше, чем при сгорании топлива (по стехиометрии) и необходимого для обеспечения эндотермичности процесса, а для производства кг H2 потребуется 4,74; 6,24; 7,56 и 27,77 кг условного топлива соответственно по 1, 2, 3 и 4 способам. Самым затратным по расходу топлива и загрязнению окружающей среды является способ получения водорода электролизом воды.

В настоящее время водород используется в нагревательных печах для создания в них безокислительной среды. В перспективе водород будет использоваться как экологически чистое топливо, например в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Рассматриваются четыре способа получения водорода.

1. Конверсия метана водяным паром в реакторах с кипящим слоем дисперсного катализатора [1]

СН4 + 2Н20 ® СО + Н20 + 3Н2 (1)

с эндотермическим тепловым эффектом =

= 34987 кДж на кг образовавшегося водорода с последующей конверсией СО водяным паром в другом реакторе с кипящим слоем на дисперсном железо-хромовом катализаторе

СО + Н20 + 3Н2 ® С02 + 4Н2

с экзотермическим тепловым эффектом =

= 8142 кДж на кг водорода, образовавшегося в реакции (1). Этот тепловой эффект в первом реакторе не используется. Далее СО2 и Н2 поступают на разделение в абсорбер или центрифугу. Выход водорода равен 2,34 м3из м3 метана. Концентрация водорода 94,2 % при одноступенчатом разделении.

2. Газификацией углерода твердого топлива водяным паром [2]

С + 2Н20 ® СО + Н20 + Н2 (2)

с эндотермическим тепловым эффектом =

= 67958 кДж на кг водорода, образовавшегося в реакции (2) с последующей конверсией СО водяным паром в реакторе на дисперсном железо-хромовом катализаторе

С0 + Н20 + Н2 ® С02 + 2Н2

с экзотермическим тепловым эффектом =24429 кДж на кг водорода, образовавшегося

в реакции (2). Этот тепловой эффект не используется в газогенераторе. Далее СО2 и Н2 разделяются в абсорбере или центрифуге, либо сжижаются, после чего поступают на ректификацию. Выход водорода 2,45 м3 на кг углерода топлива. Содержание водорода 94,2 % при одноступенчатом разделении СО2 и Н2.

3. Термическое разложение (пиролиз) метана при температуре 1350°С [3]:

СН4 ® 2Н2 + С (3)

на дисперсной насадке из окиси алюминия диаметром 3 мм с эндотермическим тепловым эффектом =18922 кДж на кг образовавшегося водорода.

Установка состоит из реактора и регенератора, размещенного выше реактора. В регенераторе насадка разогревается до 1350°С за счет сжигания углерода, отложившегося в порах насадки. В реакторе происходит разложение метана на водо-

род и углерод, который отлагается в порах насадки. Циркуляция частиц насадки между реактором и регенератором осуществляется пневмотранспортом воздухом от компрессора. Выход водорода 1,9 м3 из м3 метана. Содержание водорода в продуктах пиролиза 98 %, метана 1%, остальное -другие газы, присутствующие в природном газе. При использовании теплоты отходящих продуктов сгорания и водорода для подогрева метана и воздуха можно полностью отказаться от дополнительного расхода природного газа как источника теплоты для обеспечения эндотермичности процесса.

4. Электролиз воды постоянным электрическим током [4]. На катоде протекает реакция

2H2O + 2e ® H2 + 2OH- , (4)

а на аноде

20Н- - 2е ® 0,502 + Н20.

Водород и кислород отводятся раздельно. Концентрация щелочи КОН в воде (электролите) равна 30% по массе. Расход электрической энергии на м3 водорода равен 5,3 кВтч или на кг водорода 5,3/0,089=59,5кВт-ч, или =59,5-3600=

=214200 кДж, где 0, 089 - плотность водорода при нормальных условиях, кг/м3. Содержание водорода в продукте 99,5 %.

Электрическую энергию для электролиза воды в основном получают на тепловой электрической станции (ТЭС) при сжигании органического топлива с КПД равным

л _ ттпгпэгпм Лтрэ , (5)

где - КПД цикла Ренкина (принят 0,35 (35%)); цПГ - парогенератора (0,9); цЭГ - электрогенератора (0,98); цм - механический (0,97); цТРЭ - транспорта электроэнергии по линии электропередачи (ЛЭП) (0,88). Поэтому ц _ 0,35-0,9-0,98-0,97-0,88= = 0,263 (26,3 % ).

Расчетный метод исследования. В каждом из способов рассчитывался удельный расход условного топлива, необходимого для обеспечения теплотой эндотермических реакций, кг условного топлива (у. т.) на кг водорода

ь _ ЧХ1/Ш? ц), (6)

где КПД установок для производства водорода по 1 и 3 способам принимался равным 0.9 (90 %) в предположении, что теплота отходящих продуктов сгорания и водорода используется на производство водяного пара и подогрев исходных ком-

понентов, по второму - 0,8 (80 %), по четвертому

- 0,263 (26,3%); Qp - теплота сгорания условного топлива, 29330 кДж/кг.

^ Ь _ 34987 _ Для первого способа: Ь _ _1,32,

29330•0,9

для второго способа: Ь = 2,89, для третьего способа: Ь = 0,72, для четвертого способа: Ь = 27,77 кг у.т. на кг Н2.

При сжигании кг Н2 выделяется Чх =120900 кДж теплоты. Однако для производства кг Н2 по первому способу потребуется 2 кг метана (по стехиометрии), при сжигании которого выделится Чх =100282 кДж тепловой энергии; по

второму способу потребуется 3 кг углерода, при сжигании которого выделится Чх =98377 кДж

тепловой энергии; по третьему способу потребуется 4 кг метана, при сгорании которого выделится Чх =200564 кДж тепловой энергии; по четвертому способу водород получается из воды, поэтомУ Чх 4 =°.

Далее, если к этому количеству теплоты, которое выделяется при сжигании топлива, необходимого для производства кг Н2 (по стехиометрии) - Чх добавить теплоту от сгорания топлива, которое обеспечивает теплотой эндотермические реакции - Чх , то теплоты от сгорания суммарного количества топлива получается больше, чем при сгорании получаемого из этого топлива кг Н2 в А _ (дх + чх )/ чх раз, а именно: для первого 100282 + 34987

способа а _ эчуо/ _ 112, для второго спо-

120900

соба - Д=1,37, для третьего - Д=1,815, для четвертого - Д=1,77.

Для производства кг Н2 потребуется ус* Н ловного топлива Ь _ Ь + Чх / Qp : для первого

л ,„„ 100282 „„„

способа Ь*=1 32 +-_ 4 74 ; для второго спо-

29330

соба Ь*=6,24; для третьего способа Ь*=7,56; для *

четвертого способа Ь _ Ь _ 27,77 .

Теплоты химических реакций Чх - Чх

рассчитывались по методике [5], результаты расчетов сведены в таблицу.

Таблица

Удельные расходы теплоты, условного топлива на обеспечение эндотермических реакций и для производства кг H2, отношение теплоты сгорания суммарного количества топлива и H2 по

четырем способам получения H2 Table. Heat specific consumption and equivalent fuel consumption for endothermic reactions and for hydrogen one kg production. Ratio of heat combustion of fuel total amount to H2 heat combustion according to four methods of _H2 production_

Способ получения водорода Удельный расход теплоты на эндотермические реакции, qx ,кДж на кг Н2 Удельный расход условного топлива для обеспечения эндотермических реакций, Ь, кг у.т. на кг Н2 Удельный расход условного топлива для производства кг Н2, b*, кг у.т. на кг Н2 Отношение теплоты сгорания суммарного количества топлива и Н2 А, кДж/кДж в расчете на кг Н2

СН4+2Н2О^ СО2+4Н2 побочный продукт СО2 34987 1,32 4,74 1,12

С+2Н2О^ СО2+2Н2 побочный продукт СО2 67958 2,89 6,24 1,37

СН4^2Н2 + С побочный продукт С 18922 0,72 7,56 1,815

2Н2О^ Н2+0,502+ Н2О побочный продукт О2 214268,4 27,77 27,77 1,77

Анализ таблицы показывает, что самый затратный способ по удельному расходу условного топлива в расчете на производство кг Н2 - разложение воды электрическим током в электролизерах на водород и кислород. В сравнении с ним удельный расход условного топлива по первому способу меньше в 5,9; по второму в 4,5; по третьему способу в 3,7 раза.

Теплоты, получаемой от сгорания топлива, необходимого для получения кг Н2 в 1,12; 1,37; 1,815; 1,77 раза больше, чем при сгорании образовавшегося из этого количества топлива кг Н2.

По минимальному расходу условного топлива, необходимого для обеспечения теплотой эндотермических реакций в расчете на кг Н2, являются способы пиролиза метана, за ним следуют способы получения Н2 паровой конверсией метана и паровой газификацией углерода топлива.

Расчеты по выбросам оксидов азота при сжигании той части топлива, которая обеспечивает теплотой эндотермические реакции, показыва-

ют, что в расчете на кг производимого водорода М = Ьи°г • ёу х ■ СN0 равны 1,26; 9 (для угля); 0,7 и 87 (для угля) граммов по 1, 2, 3 и 4 способам соответственно, где CN0 - концентрация окси-

х

дов азота в продуктах сгорания, г/м3; и°г - объем продуктов сгорания кг угля или м3 природного газа м3; ёух - коэффициент избытка воздуха.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дубинин А.М., Финк А.В, Кагарманов Г.Р. //Журнал «Промышленная энергетика». 2007. № 5. С. 32 - 37.

2. Хоффман Е. Энерготехнологическое использование угля. М.: Энергоиздат. 1983. 328 с.

3. Иоффе В.Б. Основы производства водорода. Л.: Гостех-издат.1960. 427 с.

4. Якименко Л.М., Модылевская И.Д., Ткачек З.Я. Электролиз воды. М.: Химия. 1970. 318 с.

5. Жуховицкий А. А., Шварцман Л. А. Физическая химия: Учебник для студентов вузов. М.: Металлургия. 2001. 688 с.

Кафедра промышленной теплоэнергетики