CC BY
31
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
£
УДК 66.046.9
https://doi.org/10.24412/2310-8266-2022-3-31-33
Получение водорода с применением СВЧ и эксимерного излучения
Саркисян А.Э.
Российский государственный университет нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина, 119991, Москва, Россия
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9987-6974, E-mail: sarkisian.a@gubkin.ru Резюме: В работе проводится анализ наиболее рентабельных методов производства водорода и новая технологическая схема, учитывающая современное направление декарбонизации; разработан технологический процесс получения водорода из метана на основе отработанного механизма изготовления источников излучения эксимеров на барьерном разряде. Предложенная технология с использованием кварцевого стекла является оптимизацией существующих способов. Показана возможность исследования способов получения водорода плазменным методом.
Ключевые слова: производство водорода, эффективные технологии получения водорода, кварцевое стекло, барьерный разряд.
Для цитирования: Саркисян А.Э. Получение водорода с применением СВЧ и эксимерного излучения // НефтеГазоХимия. 2022. № 3. С. 31-33. D0I:10.24412/2310-8266-2022-3-31-33
PRODUCTION OF HYDROGEN USING MICROWAVE AND EXCIMER RADIATION
Adele E. Sarkisyan
Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University), 119991, Moscow, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9987-6974, E-mail:sarkisian.a@gubkin.ru Abstract: This paper analyzes the most cost-effective methods of hydrogen production and a new technological scheme, taking into account the current direction of decarbonization. The technological process for producing hydrogen from methane has been developed on the basis of an elaborated mechanism for manufacturing excimer radiation sources based on a barrier discharge. The proposed technology using quartz glass is an optimization of existing methods. A tool has been created to study methods of obtaining hydrogen by plasma and plasmocalitical method directly on the industrial elemental base.
Keywords: hydrogen production, efficient technologies for hydrogen production, quartz glass, barrier discharge.
For citation: Sarkisyan A.E. PRODUCTION OF HYDROGEN USING MICROWAVE AND EXCIMER RADIATION. Oil & Gas Chemistry. 2022, no. 3, pp. 31-33. DOI:10.24412/2310-8266-2022-3-31-33
Введение
Водородная энергетика в наши дни стала наиболее значимой вследствие постепенного роста текущего спроса. В XXI веке она является важным ключевым решением на пути декарбонизации экономики, постепенного перехода к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) и борьбы с глобальным повышением температуры. Если говорить о глобальной экономике, то водород в ней создает образ будущего, постепенно становясь новым энергоносителем [1].
По запасу природных ресурсов Россия признана лидером, однако сегодня важной проблемой остается их рациональное использование. Путем глубокой переработки углеводородных газов можно добиться ее разрешения. Одним из методов выступает крекинг природного газа на водород и углерод в плазме СВЧ-разряда.
Термодинамический анализ крекинга природного газа показывает, что с увеличением давления степень разложения метана как основного компонента природного
газа снижается, а при увеличении температуры - возрастает. Степень превращения исходных углеводородов возрастает с ростом температуры, что подсказывает выбор способа осуществления крекинга. Одним из высокотемпературных методов является плазмохимический метод. Важным показателем для выбора метода крекинга является оценка энергетических затрат на крекинг - как теоретических, так и практических. Если теоретический расход энергии можно определить из энтальпийного баланса реакции с учетом условий ее проведения, то практический расход энергии можно определить только на основе экспериментальных данных.
С целью проведения экспериментов была создана установка, позволяющая перерабатывать различное углеводородное сырье с определением расхода энергии и характеристик получаемых продуктов.
Для проведения эксперимента по получению водорода с применением СВЧ-излучения использовался реактор (рис. 1), представляющий собой стеклянную коаксиальную конструкцию с вводом и выводом газа, заполненную мелким стеклом для осаждения образующейся в процессе сажи.
_ В исследовании использовался природный газ, компонентный состав которого представлен в табл. 1.
На основании анализа реализованных методов был разработан возможный технологический процесс получения водорода из метана на основе отработанного механизма изготовления источников излучения эксимеров на барьерном разряде. Предлагается использовать в качестве проточного реактора видоизмененную коаксиальную конструкцию кварцевой лампы, где в межтрубном пространстве, по которому будет проходить углеводородное газообразное вещество, осуществляется барьерный разряд такой частоты и мощности, которые достаточны для разложения и диссоциации метана на водород и углерод. Появление пленки углерода на стенках реактора должно способствовать образованию искрового разряда и разложению метана. Представляется, что при определенных условиях межтрубное пространство может быть заполнено гранулами инертного кварцевого материала целиком или с добавками гранул металлических катализаторов. При образовании из-
3 • 2022
НефтеГазоХимия 31
-о1
(ИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
Схема реактора получения водорода с входами для аргона и природного газа
Таблица 1
Компонентный состав природного газа на входе
Определяемыйкомпонент Время, мин Концентрация молярная, %
Метан 1,538 95,50099
Углекислый газ 2,421 0,22
Этан 3,371 1,79
Гелий 2,261 0,018
Водород 2,566 0,0017
Кислород 3,367 0,2084
Азот 3,94 1,12
Пропан 5,607 0,69
Изобутан 7,353 0,1637
н-Бутан 7,746 0,16
изо-Пентан 9,674 0,0501
н-Пентан 9,985 0,04
н-Гексан 13,153 0,02841
н-Гептан 18,579 0,0087
Схема коаксиального реактора и каскад из трех частот обработки метана
И-Р—, С-Вг
График энергии диссоциации некоторых соединений в корреспонденции с источниками эксимерных излучений
эВ
А,, нм
- 3 400-
Л 350-
- 4 зоо-
" 5 250"
- 6 200-
- 7
" 8 150-
- 9
" 10
ХеР
г 1 ?
-ХеСГ -ХеВг*
- 01*2
- КгР*
- КгСГ
- АгР*
- Хе*2
Р* " г 2
" КГ*2
- Аг%
Рис. 1
Рис. 3
Рис. 2
лишне большого слоя углерода на гранулах предусмотрена их замена на свежие. Отработанные гранулы идут на очистку и регенерацию. Реакторы подобного типа с изменяющимися частотами могут быть выстроены в каскад (рис. 2). Энергия диссоциации соединений коррелирует с частотами возбуждения источников эксимер-ного излучения(рис. 3)
Характерно, что кроме, барьерного разряда в межтрубном пространстве, рабочий объем может быть обработан узкополосным излучением эксимерных источников длинами волн, характерных для эксимерных и эксиплексных источников излучения, а при необходимости и СВЧ- или ВЧ-полем. Метод обработки кварцевого сырья в СВЧ-поле печи опробован с целью удаления остатков фло-тоагента.
Конструкция коаксиального реактора может быть изготовлена проточной из межтрубного пространства как для газов, так и для наполнителей с катализаторами.
Размеры реактора соответствуют современным тенденциям миниатюризации технологического оборудования в малотоннажной химии. Межтрубное расстояние (зазор) составляет 8 мм при внутреннем диаметре наружной трубы 38 мм. Это эквивалентно сечению круглой трубы диаметром 60 мм. Длина реактора будет определяться по скорости реакции разложения метана.
Результаты и обсуждения
Полученные результаты исследований на кафедре газохимии не показали практической целесообразности
32 НефтеГазоХимия
3•2022
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ПРОДУКТЫ
*о-
Таблица 2
Результаты экспериментальных исследований получения водорода из природного газа в плазме СВЧ-разряда
Расход природного газа, м3/ч СВЧ-мощность магнетрона, кВт Конверсия природного газа, % Выход водорода, м3/ч Энергозатраты, кВт-ч/м3 водорода
0,6 0,7 19 0,36 1,94
0,8 15 0,37 1,89
1,0 12 0,38 1,84
использования плазмы СВЧ-разряда для конверсии природного газа в водород и углерод. В табл. 2 приведены результаты энергозатрат на получение водорода в СВЧ-плазмотроне при различных расходах газа и СВЧ-мощности, вводимой в разряд.
Имеющиеся оценки таких систем разложения метана не дают четкого представления о выбросах водородных парниковых газов и затратах из-за широкого диапазона технологических параметров и различных предположений о цепочке поставок энергии. Б. Паркинсон и др. (2019) [4] опубликовали исследование, в котором рассматриваются технологии парового риформинга метана (SMR), газификации угля и биомассы, электролиза и ядерных технологий подачи водорода. Процессам разложения метана уделяется лишь ограниченное внимание, поскольку рассматривается только общая конфигурация с общей эффективностью процесса 53%, связанной с высшей теплотворной способностью (HHV). Эта конфигурация сжигает природный газ для получения необходимого технологического тепла. При допущении, что цепочка поставок природного газа характеризуется более низкими, чем в среднем, глобальными выбросами парниковых газов, в ходе разложения метана образуется водород с выбросами парниковых газов 6,1 кг С02-экв./кг Н2, что на 52% ниже, чем у водорода от парового риформинга метана (SMR). Разложение метана определяется как водородная
технология с низким содержанием С02 с самым слабым потенциалом снижения стоимости среди всех исследованных альтернатив.
Низкие затраты на производство водорода обусловлены разложением метана. Это особенно верно, если учитывать доход от произведенного углерода. Для определения стоимости водорода по отношению к отпускной цене технического углерода используются разные подходы. Р. Dagle, В. Dagleи др. (2017) [5] сравнивают затраты на производство водорода с целевыми расходами Министерства энергетики США в 4 долл. за 1 кг. Установлено, что малогабаритная система плазменного разложения метана производит водород только ниже целевого уровня затрат, если углеродный продукт продается по цене более «0,9 долл. США/кг углерода. Расходы на водород составляют от 6 до 7 долл. за 1 кг, если произведенный углерод не продается. Кроме того, исследуется влияние производственных мощностей, и делается вывод о стоимости водорода от 6 долл./кг для крупномасштабных до 14 долл./кг для малых систем (нет дохода от углеродного продукта).
Заключение
На основании проведенного анализа можно заключить, что плазма СВЧ-разряда и барьерного разряда может использоваться в таких процессах, как получение водорода, оксидов и нитридов высокочастотных материалов, но на современном этапе развития технологий метод получения водорода путем разложения в плазме СВЧ-разряда не представляется экономически целесообразным. Предложена новая технологическая схема, учитывающая современное направление декарбонизации. Получение водорода и метано-водородных смесей плазмохимическим методом - перспективный путь переработки природного газа при совершенствовании имеющихся технологий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Митрова Т., Мельников Ю., Чугунов Д. Водородная экономика - путь к низкоуглеродному развитию. URL: https://www.np-sr.ru/ru/content/47027-vodorodnaya-ekonomika-put-k-nizkouglerodnomu-razvitiyu (дата обращения 15.05.2022).
2. Радченко Р.В., Мокрушин А.С., Тюльпа В.В. Общая энергетика: водород в энергетике: учеб. пособие для вузов / под науч. ред. С.Е. Щеклеина. М.: Юрайт, 2018. 230 с.
3. Голованов Г. Прорыв в производстве водорода из энергии Солнца. URL:
REFERENCES
1. Mitrova T., Mel'nikov YU., Chugunov D. Vodorodnaya ekonomika - put k nizkouglerodnomu razvitiyu (Hydrogen economy - the path to low-carbon development) Available at: https://www.np-sr.ru/ru/content/47027-vodorodnaya-ekonomika-put-k-nizkouglerodnomu-razvitiyu (accessed 15 May 2022).
2. Radchenko R.V., Mokrushin A.S., Tyul'pa V.V. Obshchaya energetika: vodorod v energetike [General energy: hydrogen in energy]. Moscow, Yurayt Publ., 2018. 230 p.
3. Golovanov G. Proryv v proizvodstve vodoroda iz energii Solntsa (Breakthrough in the production of hydrogen from solar energy) Available at: https://hightech.
https://hightech.plus/2020/01/22/proriv-v-proizvodstve-vodoroda-iz-energii-solnca (дата обращения 15.05.2022).
4. Levelized cost of CO2 mitigation from hydrogen production routes. B. Parkinson, P. Balcombe, JF. Speirs, AD. Hawkes, K. Hellgardt. Energy & environmental science 12 (1), 19-40, 2019.
5. R. Dagle, V. Dagle, M. Bearden, J. Holladay, T. Krause, S. Ahmed, et al.Opportunities for Development of Natural Gas Conversion Technologies: for Co-Production of Hydrogen and Value-AddedSolid Carbon Products (2017).
plus/2020/01/22/proriv-v-proizvodstve-vodoroda-iz-energii-solnca (accessed 15 May 2022).
4. Parkinson B., Balcombe P., Speirs JF., Hawkes AD., Hellgardt K. Levelized cost of CO2 mitigation from hydrogen production routes. Energy & environmental science, 2019, no. 12 (1), pp. 19-40.
5. Dagle R., Dagle V., Bearden M., Holladay J., Krause T., Ahmed S. Opportunities for development of natural gas conversion technologies: for co-production of hydrogen and value-added solid carbon products. 2017.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ / INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Саркисян Адель Эдуардовна, студент кафедры газохимии, Российский госу- Adele E. Sarkisyan, Student of the Department of Gaschemistry, Gubkin Russian дарственный университет нефти и газа (национальный исследовательский State University of Oil and Gas (National Research University). университет) им. И.М. Губкина.
3 • 2022
НефтеГазоХимия 33
