CC BY
398
ИННОВАЦИИ № 11 (98), 2006
БИРЖА ТЕХНОЛОГИЙ И КОНТАКТОВ
Мсслёдования и разработки Плазменные методы
производства водорода
В. Животов,
начальник лаборатории Институт водородной энергетики и плазменных технологий
ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» jivotov@hepti.kiae.ru
Общепризнанно, что развитие энергетики и транспорта в ближайшие десятилетия, а также их превращение в экологически чистые отрасли связано с внедрением водорода в качестве энергоносителя. Развитие водородной энергетики за счет резкого снижения потребления природных топлив позволит снять остроту энергетической проблемы в ближайшем будущем, а впоследствии — по мере освоения промышленного использования термоядерной энергии — полностью разрешить ее.
Основной проблемой, препятствующей широкому промышленному использованию водородной энергетики в настоящее время, является отсутствие высокоэффективных способов получения водорода.
Новый подход к получению водорода из углеводородсодержащего сырья может быть основан на явлении каталитической активности неравновесной плазмы в химических реакциях. Реализация этого подхода привела в созданию высокоэффективных плазменно-каталитических реакторов, полностью лишенных недостатков, присущих традиционным каталитическим установкам и обладающих следующими достоинствами:
• отсутствием необходимости технологического обслуживания катализатора;
• оперативная возможность неограниченного количества циклов «пуск-остановка» без необходимости активации катализатора;
• высокая удельная производительность;
• экологическая чистота;
• отсутствие проблемы «зауглероживания» катализатора;
• отсутствие проблемы очистки реагентов от сернистых соединений;
• независимость параметров и характеристик плазменного процесса от типа углеводородного сырья. Явление плазменного катализа энергетически
эффективно (энергозатраты 0,1 кВт-ч на нм3) и универсально. Оно продемонстрировано на примере целого ряда практически важных процессов получения водорода и синтез-газа из углеводородов: диссоциация метана на водород и углерод, пиролиз метанола, парциальное окисление и парокис-
лородная конверсия жидкого набора углеводородов, начиная с метана и заканчивая жидкими моторными топливами (керосин, дизельное топливо). Фактически можно говорить об универсальном по отношении к виду исходных углеводородов характере эффекта, что выгодно отличает его от традиционного катализа и резко упрощает его практическое использование.
Проведение исследований механизмов плазменного катализа послужило основой для разработки и создания прототипов технологических плазменных конверторов газообразного углеводородного сырья и жидких моторных топлив в синтез-газ и водород.
Проведены испытания компактного высокоэффективного автомобильного бортового конвертора жидкого моторного топлива (топливного процессора) с производительностью, достаточной для обеспечения водородом энергетической установки современного автомобиля.
Ведутся также разработки стационарных генераторов водорода, которые могут быть использованы для оснащения автозаправочных станций, для включения в состав систем эффективного децентрализованного энергоснабжения, миниатюрных электрогенераторов для электропитания портативных компьютеров, фото- и кинотехники и других бытовых приборов.
Другим подходом к плазменному получению водорода является пример процесса диссоциации сероводорода. Разработка процесса диссоциации сероводорода и сероводородсодержащих газов проходила последовательно — стадию лабораторных исследований на уровне производительности плазмотрона 1-2 м3/ч в Институте водородной энергетики и плазменных технологий РНЦ «Курчатовский институт»; стадию пилотных испытаний на уровне производительности установки 50 м3/ч на площадке Дрогобычского нефтеперерабатывающего завода; стадию опытно-промышленного внедрения на уровне производительности 5001000 м3/ч на предприятиях газоперерабатывающей промышленности, в частности, на площадке Оренбургского газоперерабатывающего завода.
БИРЖА ТЕХНОЛОГИЙ И КОНТАКТОВ
Существует три основных проблемы промышленности, в которых остро стоит проблема переработки сероводорода. В первую очередь, это газоперерабатывающая промышленность. Концентрация сероводорода, сопутствующего природному газу газовых месторождений, может быть очень велика — до 20-25%.
Высокая токсичность сероводорода приводит к необходимости как тщательной очистки от него газовой фракции, так и полной ее переработки. В нефтеперерабатывающей промышленности в процессе гидроочистки нефти от серы последняя связывается с водородом, образуя сероводород. На предприятиях цветной металлургии при восстановлении металлов из их сульфидов с помощью водородосодержащих восстановителей также образуется сероводород, который должен быть утилизирован.
Традиционным методом переработки сероводорода является метод Клауса.
Н2Б + 1/2 О2 = Н20. (1)
Это двустадийный термокаталитический процесс, на первой стадии которого происходит окисление сероводорода кислородом с получением сернистого ангидрида как промежуточного продукта.
Процесс Клауса экологически нечист, при его проведении возникают выбросы значительных количеств сернистого ангидрида в атмосферу. Применение систем дополнительной очистки от сернистого ангидрида резко удорожает стоимость технологического оборудования. Кроме того, процесс Клауса дает в качестве своего продукта только серу. Вторая ценная компонента сероводорода — водород теряется, переходя в воду.
Все это определяет тот интерес, который проявляется к процессам полной диссоциации сероводорода, в том числе плазмохимической диссоциации в микроволновых плазмотронах:
Н2Б = Н2 + Б АН = 0,21 эВ. (2)
Плазмохимическая переработка сероводорода позволяет получать из исходного водорода оба продукта — серу и водород, причем с весьма низкими энергозатратами: энергозатраты 0,5 кВт-ч/1 м3 водорода — это теоретический предел, 1 кВт-ч — сегодняшний практический результат. Получаемый при диссоциации сероводорода водород может рассматриваться как дополнительный ценный продукт газодобычи и газопереработки; в нефтеперерабатывающей промышленности и цветной металлургии полученный из сероводорода водород может восполнить тот водород, которой был затрачен на стадиях гидроочистки нефти и восстановления металлов из сульфидов, сделав эти технологии замкнутыми по этому расходному компоненту. Во всех
случаях технология плазмохимической переработки сероводорода является безотходной и экологически чистой.
Третье направления получения водорода — двустадийный углекислотный цикл, в основе которого лежит процесс диссоциации углекислого газа. Это один из наиболее популярных плазмохимических процессов. Его изучению посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические работы, относящиеся как к квазиравновесной, так и сильно неравновесной плазме.
Процесс изучался в самых разнообразных разрядных системах — в тлеющем, ВЧ-, СВЧ-, плазменнопучковом, дуговом разрядах, в разряде с полым катодом, при плазменном радиолизе, в несамостоятельных разрядах, поддерживаемых электронным пучком.
Практический интерес к процессу плазмохимической диссоциации углекислого газа проявляется с различных точек зрения. Неполная диссоциация СО2 на окись углерода и кислород
СО2 = СО + 1/2 О2 - АН; АН = 2,89 эВ (3)
дает своим продуктам энергоноситель — окись углерода, которая может в стандартном термокаталитическом процессе паровой конверсии
СО2 + Н20 = Н2 + СО2 + АН; АН = 0,4 эВ (4)
быть переведенным в другой энергоноситель — водород.
Наиболее естественным плазмохимическим способом получения водорода может показаться диссоциация паров воды. Однако трудности проведения этого процесса с высокой энергетической эффективностью в плазме достаточно велики. Достигнутые результаты, хотя и являются относительно высокими, тем не менее по энергетической эффективности уступаю электролизу.
Все это повышает интерес к процессу диссоциации углекислого газа, который вместе с (4) образует двустадийный углекислотный цикл получения водорода из воды.
В цикле расходуются: энергия на первой, плазмохимической стадии (3) и вода — на второй стадии (4). Углекислый газ циркулирует, продуктами цикла являются водород и кислород.
Для энергетической эффективности цикла определяющими являются энергозатраты процесса диссоциации углекислого газа.
В рамках атомно-водородной энергетики упрощенная технологическая схема двустадийного плазмохимического цикла получения водорода из воды может состоять из ядерно-энергетического блока, плазмохимического блока, сепаратора газовой смеси, блока паровой конверсии окиси углерода.
ИННОВАЦИИ № 11 (98), 2006
