CC BY
66УДК 661.961
создание и эксплуатация систем получения, хранения, транспортировки и использования жидкого водорода в промышленных масштабах
рр: Н.А. Афанасьев, И.С. Оконский, В.В. Трофимов, А.П. Матвеев
ФГУП "НИИХИММАШ", 141320, г. Пересвет, Московская область, Россия Тел. (496) 546-33-19, факс (495) 221-62-82, E-mail: mail@niichimmach.ru
Рассмотрены вопросы по обобщению опыта создания и безопасной эксплуатации систем водородного производства, предназначенного для обеспечения испытаний жидкостных ракетных двигателей и ракетно-космической техники на кислородно-водородных компонентах топлива. Приведены данные по структурному составу, характеристикам используемых техпроцессов получения жидкого водорода. Обоснованы направления модернизации водородного производства.
CONSTRUCTION AND OPERATION OF LIQUID HYDROGEN COMMERCIAL PRODUCTION, STORAGE, AND TRANSPORTATION FACILITIES
N.A. Afanasyev, I.S. Okonskiy, V.V. Trofimov , A.P Matveyev
FGUP NIICHIMMASH , 141320, Peresvet, Moscow region, Russia Tel. (496) 546-33-19, Fax (495) 221-62-82, E-mail: mail@niichimmach.ru
Some issues related to generalization of experience in the construction and safe operation of hydrogen production facilities designed to support tests and development of liquid rocket engines and spacecraft systems employing oxygen/hydrogen propellant components have been considered. Data on equipment configuration, characteristics of liquid hydrogen production processes have been given. Approaches to upgrading hydrogen production facilities have been justified.
Афанасьев Николай Афанасьевич,
главный специалист по криогенной технике и тепловакуумным испытаниям, лауреат Государственной премии, заслуженный машиностроитель РФ. Образование: машиностроительный факультет МИХМ (1964 г.). Профессиональный опыт: с 1964 г. ст. инженер, начальник сектора, с 1980 г. начальник отдела, с 1982 г. заместитель директора. Публикации: более 60 статей, 19 авторских свидетельств.
Трофимов Валентин Васильевич,
технический консультант. Образование: политехнический институт ВЗПИ (1958 г.) г. Москва. Профессиональный опыт: с 1964 г. заместитель начальника, в 1976-2000 гг. начальник водородного производства. Публикации: 36 статей, 11 авторских свидетельств.
¿Оконский Игорь Семенович,
начальник водородного производства, заслуженный машиностроитель РФ, автор учебника «Процессы и аппараты кислородного и криогенного производства».
Образование: Одесский технологический институт холодильной промышленности (1959 г.). Профессиональный опыт: с 1964 г. работает в НИИХИММАШ, с 2006 г. - начальник водородного производства.
Матвеев Анатолий Павлович,
ведущий специалист водородного производства.
Образование: МВТУ им. Н.Э. Баумана (1975 г.).
Профессиональный опыт: с 1968 г. работает в НИИХИММАШ, с 1975 г. - ведущий инженер, в 2000-2006 гг. начальник водородного производства.
Публикации: 12 статей, 9 авторских свидетельств.
Особый интерес к жидкому водороду проявился в 1960-е годы в связи с планами использования его в ракетно-космической технике (РКТ), когда на повестку дня были поставлены вопросы осуществления полетов человека на Луну, исследования планет Солнечной системы и дальнего космоса, которые потребовали значительного увеличения энергетических возможностей средств выведения космических аппаратов. Еще в 1903 г. К.Э. Циолковский указывал, что топливо, состоящее из жидкого водорода и жидкого кислорода, является одним из эффективных для ракетных двигателей. Вместе с этим, указанные компоненты являются экологически безопасными.
В 1960-1970 годы в нашей стране для полетов на Луну создавалась ракетно-космическая система Н1, в которой предусматривалось применение ступеней с двигателями на кислородно-водородных компонентах топлива. В НИИХИММАШ был построен комплекс сооружений для экспериментальной отработки и научно-исследовательских работ с натурными образцами ракетных двигателей, их агрегатов и систем энергопитания космических аппаратов на кислородно-водородном топливе. В состав комплекса входят испытательные стенды и водородное производство [1].
Водородное производство НИИХИММАШ является единственным крупнотоннажным производством жидкого водорода в Российской Федерации. Производство создавалось в две очереди.
Первая очередь производительностью 40 кг/час жидкого водорода была создана в 1965 году, вторая - производительностью 180 кг/час начала функционировать в 1968 году.
В связи со сжатыми сроками на разработку и освоение производства комплектование первой очереди осуществлялось экспериментальным оборудованием, опыт изготовления и эксплуатации которого уже имелся в научно-исследовательских организациях.
Для получения газообразного водорода были задействованы серийные щелочные электролизеры ФВ-500, отличающиеся простотой управления и высокой чистотой получаемого газа. После очистки от кислорода и осушки газообразный водород подавался на ожижение в 4-х лабораторных ожижителях ВО-2 [2].
Параллельно с выпуском жидкого водорода на первой очереди велись работы по созданию второй очереди производства. Были увеличены мощности отделения электролиза за счет дополнительных электролизеров, установлено дополнительное компрессорное оборудование и введен в эксплуатацию специально созданный первый промышленный агрегат ожижения водорода 501-А. В составе второй очереди было построено хранилище жидкого водорода, создана развитая инфраструктура для транспортировки жидкого водорода в стационарное хранилище и испытательные стенды по криогенным трубопроводам протяженностью до 700 м.
Системы водородного производства эксплуатируются в течение более чем 40 лет и обеспечивают жидким и газообразным водородом стендовые испытания и отработку кислородно-водородных ЖРД, ракетных блоков, электрохимических генераторов и агрегатов водородной энергетики по российским и зарубежным космическим программам. Выработка и использование жидкого водорода в НИИХИММАШ в 1970-1980 годах составляла 500-800 тонн в год. Осуществлялись также поставки жидкого водорода другим предприятиям автомобильным и железнодорожным транспортом. Всего водородным производством было выдано потребителям более 10,5 тысячи тонн жидкого водорода. Для единовременного размещения такого количества водорода потребовалось бы 1500 цистерн объемом по 100 м3 каждая.
В создании водородного производства НИИХИМ-МАШ принимали участие ведущие проектные организации: ИПРОМАШПРОМ - генпроектировщик; ГИАП
- разработчик системы получения и очистки газообразного и жидкого водорода, НПО «КРИОГЕНМАШ»
- криогенное оборудование, резервуары, трубопроводы и арматура; «ГИПРОКИСЛОРОД» - стационарные системы хранения и переохлаждения жидкого водорода; «ГИПХ» - вопросы безопасности и технологии работы с жидким водородом; НПО «ГЕЛИЙМАШ»
- водородные ожижители ВО-2, гелиевые рефрижераторные установки для получения переохлажденного и шугообразного водорода.
Водородное производство (рис. 1) является подразделением с автономным технологическим циклом от получения сырья - водного дистиллята до выработки и ожижения водорода, обеспечения его хранения и транспортировки. Производство как опытно-промышленная база обеспечило экспериментальную отработку головных образцов водородного оборудования и технологий. Были освоены и отработаны технологии гелиевого и вакуумного переохлаждения жидкого водорода, технологии и оборудование наземных систем заправки жидким водородом ракеты-носителя (РН) «Энергия».
Рис. 1. Вид водородного производства
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Технологический цикл состоит из следующих стадий:
• получение дистиллята из водяного пара, выработка газообразного водорода методом электролиза воды;
• предварительная очистка газообразного водорода от примесей и компримирование до давления 15 МПа;
• получение жидкого водорода в многоступенчатом холодильном цикле с предварительным аммиачным и азотным охлаждением, адсорбционной низкотемпературной очисткой ожижаемого газа и двухступенчатой ортопараконверсией;
• накопление и хранение жидкого водорода в стационарных резервуарах хранилища или в цистернах.
Рис. 2. Участок электролиза
Производство состоит из взаимосвязанных технологическим циклом участков.
На электролизном участке (рис. 2) газообразный водород производится в 6 щелочных электролизерах типа ФВ-500 производительностью 500 нм3/час. В состав участка электролиза входит вспомогательное оборудование: азотный (1000 м3) и водородный (6000 м3) газгольдеры, система оборотного водоснабжения.
давления от кислорода и осушки его от влаги, компрессии для сжатия газообразных водорода и азота в циклах ожижения до давлений 15 и 20 МПа, аммиачно-холодильной установки, предназначенной для предварительного охлаждения азота и водорода, агрегата ожижения водорода.
Удельные расходы электроэнергии на выработку газообразного и жидкого водорода составляют 134-168 кВтч/кг в зависимости от режима работы. Основная доля энергозатрат приходится на осуществление электролиза воды при выработке газообразного водорода.
Система хранения и транспортировки жидкого водорода состоит из пяти стационарных вертикальных цилиндрических резервуаров с общим объемом 300 м3 и до 8 транспортных цистерн объемом по 100 м3, базирующихся на железнодорожных путях, фронта слива и площадки отстоя цистерн (рис. 4). Система хранения выполняет функции накопления, кратковременного или длительного хранения жидкого водорода, выдачи жидкого водорода потребителям внутри предприятия по трубопроводам, а также отгрузки его на сторону или приема со стороны в цистернах. Все системы хранения жидкого водорода объединены трубопроводами, что позволяет каждому элементу системы функционировать совместно или автономно, как самостоятельные технологические единицы.
Рис. 3. Компрессорное отделение участка сжижения
На участке ожижения (рис. 3) имеются отделения: очистки газообразного водорода низкого и высокого
Рис. 4. Цисцерна на площадке наполнения
Наличие соответствующей инфраструктуры позволяет водородному производству НИИХИММАШ полностью обеспечивать потребности отрасли в жидком водороде для стендовой отработки РКТ нового поколения, производить поставки криогенных компонентов на космодромы для обеспечения запусков РН [3]. Блочное исполнение многих систем производства позволяет осуществлять при необходимости маневрирование производительностью в пределах от 50 до 100% номинала, использовать различные схемы обеспечения потребителей водородом, в том числе: производить подачу газообразного водорода высокого и низкого давления, отгрузку с производства жидкого водорода в авто- и железнодорожных цистернах, принимать
жидкий водород со стороны, использовать трубопроводы для внутризаводского транспорта жидкого и газообразного водорода на расстояние до 700 метров и обеспечивать длительное хранение жидкого водорода в периоды ожидания использования.
Для надежного и непрерывного функционирования производства в системах оборотного водоснабжения, выработки сырья, электролиза воды, очистки и компримирования водорода имеется резервирование основного оборудования, что позволяет проводить плановые ремонты и профилактические мероприятия без остановки производства.
В процессе эксплуатации были повышены надежность системы и степень очистки водорода, пробег адсорберов увеличен в 2 раза. Коэффициент использования жидкого водорода при эксплуатации в системах производства и испытательных стендов был увеличен с 0,3 до 0,6-0,7 за счет внедрения технологии утилизации паров и дренажных выбросов водорода, возврата остатков жидкого водорода при испытаниях в стационарные резервуары хранения и оптимизации процессов захолаживания и заправок криогенных систем [1].
Технологические характеристики водородного производства НИИХИММАШ приведены в таблице 1.
При создании испытательного комплекса особое внимание было уделено вопросам обеспечения безопасности. Безопасность работы с водородом обеспечивается комплексом мероприятий, которые выполняются на стадиях проектирования, изготовления и монтажа оборудования, а также в процессе эксплуатации [4, 5, 6].
На основании 40-летнего опыта промышленного производства, транспортировки и работы с большими количествами водорода можно сделать следующие заключения:
• производство и работа с газообразным и жидким водородом требует соблюдения мер безопасности для всех технологических операций и профессиональной подготовки обслуживающего персонала;
• меры безопасности, обеспечивающие безаварийную работу, обязательные для пользователей водорода, на сегодня хорошо известны и представлены в технических материалах и правилах [4].
Одним из проблемных вопросов расширения масштабов использования водорода является снижение его стоимости [7].
Для удовлетворения потребностей отработки экспериментальной техники в ракетно-космической отрасли можно рассматривать следующие концепции развития водородного производства.
Первая заключается в модернизации эксплуатируемого водородного производства НИИХИММАШ, предусматривающей реконструкцию цикла ожижения водорода, а также внедрение новой энергосберегающей технологии получения газообразного водорода при сохранении и использовании существующей инфраструктуры. Конечными целями модернизации производства являются снижение в 2-3 раза удельных энергозатрат и стоимости выработки товарных продуктов: жидкого и газообразного водорода. Затраты на поэтапную реконструкцию несравнимы с затратами и сроками на создание нового производства.
Таблица 1
Технологические характеристики водородного производства НИИХИММАШ
№ п/п Наименование Значения параметра
1 Способ получения газообразного водорода: доля получаемого водорода содержание примесей сырье удельные затраты электроэнергии стоимость энергоресурсов - электролиз воды в щелочных электролизерах ФВ500; - Н2=99,5 % об - 02<0,5 %; N2 <0,01 % об; Н2О-насыщение - пар, вода - 0,9 дм3 Н2О на 1м3 Н2 - 5,91 кВтч/1м3 - пар + электроэнергия - 9 руб/м3
2 Предварительная очистка получаемого водоро- досодержащего газа: от кислорода от влаги от масла давление сжатия содержание примесей в очищенном водороде удельный расход электроэнергии - гидрированием в 2 ступени при Т=130 0С на хромо-никелевом катализаторе - адсорбцией на алюмогеле при 15 МПа - адсорбцией на активированном угле - 15 МПа - О2 не более 110-7 % об; N <0,01 % об; Н2О - точка росы не выше минус 40 0С - 1 кВтч/м3
3 Очистка ожижаемого водорода: содержание примесей в ожижаемом водороде содержание примесей в жидком Н2 по анализам из емкости - методом низкотемпературной адсорбции акт. углем с охлаждением жидким азотом при Т= -205 0С - О2 <110-7 % об; N <110-5 % об; - О2 <2.10-7 % об; N <2.10-5 % об пара-форма 98 %
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
Вторая концепция предусматривает создание на имеющихся площадях в НИИХИММАШ нового водородного производства под долгосрочные перспективные потребности с принципиально новыми и эффективными технологиями для решения задач национальных программ.
В настоящее время наиболее распространенными и приемлемыми для использования в промышленности по экономическим показателям считаются следующие способы: каталитическая паровая конверсия природного газа, высокотемпературная некаталитическая конверсия природного газа, неполное окисление углеводородного сырья кислородом [8].
Разработаны технологии производства газообразного водорода с получением побочных продуктов: технического углерода или ацетилена. Такими перспективными способами являются: технология полного пиролиза природного газа до углерода и водорода, плазмохимический пиролиз природного газа с получением водорода и ацетилена. Экономические показатели установок по производству водорода, использующих новые технологии, определенные по материалам предпроектных проработок, достаточно высокие. Это достигается за счет более полного использования сырья и частичной компенсацией затрат на производство от реализации побочных продуктов.
Проведенный анализ рассмотренных способов производства водорода показал, что самым дешевым является водород, получаемый в качестве побочного продукта при производстве хлора и извлекаемый из отходящих газов нефтеочистительных заводов. Эти источники могут обеспечивать только небольшие потребности в водороде и связаны с работой основного производства.
Следующим способом в порядке возрастания стоимости водорода является технология каталитической паровой конверсии углеводородов. Таким способом в мире производится половина всего количества водорода для нужд химической промышленности. Фактор высоких экономических показателей способа производства водорода в данном случае является определяющим.
Способ получения водорода (синтез-газа) неполным окислением углеводородного сырья, уступая по экономике указанным выше способам, имеет преимущество в части возможности использования широкого ассортимента сырья - от газообразных углеводородов до сырой нефти, мазута и даже битума [8].
Получение газообразного водорода методом электролиза воды является самым энергоемким способом, но он выгодно отличается простотой и надежностью. Электролизный водород содержит небольшое количество примесей и может во многих случаях использоваться без тонкой очистки.
Метод электролиза непрерывно совершенствуется в направлении снижения удельных энергозатрат.
Для сравнения энергетические показатели различных способов получения водорода приведены в табл. № 2.
Таблица № 2
Энергетические показатели различных способов получения водорода
Наименование процесса Относительное потребление энергии [природный газ-эквивалент, нм31
Паровой реформинг природного газа 0,41
Кислородный реформинг 0,47
Угольная газификация 0,59
Разложение метанола 0,88
Электролиз воды 1,3
Выбор того или иного способа производства водорода зависит от наличия источников сырья и экономичности технологических процессов, заложенных в схему установки. Оценка технологического процесса может проводиться по расходу сырья, затратам электрической и тепловой энергии и капитальным вложениям с учетом утилизации и использования вторичных энергоресурсов.
о Ч
8. о
=1 §
с
т
>.
с о с
л
I
н
О
легкие углеводороды
тяжелые углеводороды
регенерирование водорода
т
I
т
I
100 1000 10000 100000
Производительность установки, нм3/ч
Рис. 5. Зависимость стоимости получения водорода от производительности установки
Выполненная экономическая оценка существующих способов получения чистого водорода и используемого сырья представлена на рис. 5 [8].
Анализ способов получения газообразного водорода с учетом доступных источников сырья показал, что наиболее эффективным и оптимальным для использования в условиях НИИХИММАШ является способ парового реформинга природного газа и выделения водорода с помощью короткоцикловой адсорбции или мембранных технологий.
В результате проведенной НИР разработана технология, принципиальная схема, представленная на рис. 6, и определены рабочие параметры установки для получения 1000 нм3/ч газообразного водорода из природного
î
газа для последующей выработки жидкого водорода. Определены энерго-материальные показатели усовершенствованной технологии получения водорода [9, 10, 11]. Так, на получение 1000 нм3 газообразного водорода по предложенной технологии расход энерго-сырьевых ресурсов составит: природного газа - 630 нм3, технической воды - 1 т, электроэнергии - 240 кВтч, что должно позволить снизить энерго-материальные затраты на получение газообразного водорода по сравнению с применяемым способом электролиза в 4-5 раз.
В целях сокращения затрат и времени на создание новых производств водорода в переходный период целесообразно использовать имеющуюся и эксплуатируемую в настоящее время водородную инфраструктуру НИИХИММАШ с проведением ее модернизации и улучшением технико-экономических показателей.
Список литературы
1. Макаров А.А., Галеев А.Г., Афанасьев Н.А. Развитие водородной испытательной базы НИИХИМ-МАШ для отработки ракетных двигателей, ступеней ракет и энергетических установок ракетно-космической техники с использованием водородного топлива. // Альтернативная энергетика и экология. 2006. №4. С.30-34.
2. Рожков И.В., Алмазов О.А., Ильинский А.А. Получение жидкого водорода. М.: Химия, 1967.
3. Перминов А.Н. Перспективы применения водорода в ракетно-космической технике // Международный форум «Водородные технологии для производства энергии». Тезисы докладов. М., 2006. С.17-19.
4. Правила безопасности при производстве, хранении и работе с водородом. НПО «КРИОГЕНМАШ». 1974.
5. Руководящий технический материал. Оборудование криогенное. Общие технологические требования при эксплуатации систем хранения и транспортирования жидкого водорода. РТМ 26-04-23-81, НПО «КРИОГЕНМАШ». 1982.
6. Оборудование криогенное. Системы транспортирования и хранения жидкого водорода. Общие требования к эксплуатации. СТП 2082-651-2006. ОАО «КРИОГЕНМАШ». 2006.
7. Степанов А.В. Получение водорода и водородсо-держащих газов. Киев: Наукова думка, 1982. С.3—11.
8. "Techniken und Systeme zur Wasser-stoffbereitstellung. Perspektiven einer Wasserstoff - Energiewirtschaft". (Teil1). Linde AG, Munchen, Februar 2000. Hydrogen Production Symposium. Linde Engineering Division. Moscow, 2004.
9. Котельников А.Б. Установки получения водорода малой и средней мощности // Международный форум «Водородные технологии для производства энергии». Тезисы докладов. М., 2006. С.86-87.
10. Делвин П., Ахмед С. Распределенное производство водорода для использования на транспорте США // Международный форум «Водородные технологии для производства энергии». Тезисы докладов. М., 2006. С.34-35.
11. Столяревский А.Я. Энергосберегающая высокотемпературная технология производства водорода и продуктов на его основе // Международный форум «Водородные технологии для производства энергии». Тезисы докладов. М., 2006. С.42.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (59) 2008
© Scientific Technical Centre «TATA», 2008
