CC BY
30ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
rJ
HYDROGEN ECONOMY
УДК: 621.43
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДОМЕТАНОВОЙ СМЕСИ ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА И ЭНЕРГЕТИКИ
А.Я. Столяревский
ООО «Центр КОРТЭС» 123098, Москва, ул. Максимова, д. 4 тел. (499) 196-7321; E-mail: cortes@pike.net.ru
Изложены проблемы и концепции применения альтернативного моторного топлива в России. Показано, что наряду с компримированным природным газом (КПГ) водород обеспечивает возможность повышения КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в 1,5-1,7 раза по сравнению с ДВС на бензине и его использование может вестись как в качестве основного топлива, так и в качестве добавки к традиционным углеводородным, инициирующей процесс сгорания бедных углево-дородно-воздушных смесей. Перевод на альтернативное топливо становится важным этапом применения чистого водорода в качестве топлива для автотранспорта - создания водородного электромобиля с топливным элементом и электроприводом.
Если перевод автотранспорта на природный газ позволяет обеспечить нормы Евро-3, а (с переходом на новые усовершенствованные двигатели) также и Евро-4, то водородометановые смеси (ВМС) при доле водорода не менее 20% даже на существующих двигателях выполняют нормы Евро-4, а при повышении доли водорода в смеси до 44-48% (смеси типа ВМС) выполняют нормы Евро-5.
Концепция предполагает осуществление процесса адиабатической паровой каталитической одноступенчатой конверсии метана (АКМ). Вариант предполагает максимальное использование исходного углеводородного сырья для получения продукционной водородометановой смеси (ВМС).
THE TECHNOLGY OF HYDROGEN-METHANE MIX PRODUCTION FOR A VEHICLES AND POWER INDUSTRY
A.Ya. Stolyarevskiy
Center «Cortes» 4 Maksimov str., 123098, Moscow, Russia Tel. (499) 196-7321, e-mail: cortes@pike.net.ru
Paper concerns the problems and concepts of alternative motor fuel application in Russia. It is shown that along with compressed natural gas (CNG), hydrogen provide an increase of efficiency of the internal combustion engines (ICE) at 1.5-1.7 of time in comparison with ICE on petrol. The hydrogen can be used as the basic fuel and as the additive to traditional hydrocarbons, initiating process of combustion of lean fuel-air mixes. The transition to alternative fuel becomes the important stage of application of hydrogen as fuel for a vehicle - creation hydrogen electric vehicle with a fuel element and electric drive.
If the transition of a vehicle to natural gas allows to ensure norms ЕURO-3 and (with application of the new advanced engines) as well ЕURO-4, the hydrogen-methane mix (HMM) at a share of hydrogen not less than 20% even on existing engines the norms Е"ШО-4 carry out, and at increase of a share of hydrogen in a mix till 44-48% (the mixes of a type HMM) carry out norms Е"ШО-5.
The concept assumes realization of process of an adiabatic steam catalitic of one-step conversion of methane (АCМ). The version assumes maximal use of the initial hydrocarbon raw material for the production of the HMM.
Сведения об авторе: с 1973 по н. вр. - Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова (с 1992 - Российский научный центр «Курчатовский институт»): 1979 - начальник группы; с 1982 - начальник Лаборатории энерготехнологических систем; с 1986 - директор Советско-германского проекта Атомной энерготехнологической станции с ВТГР; с 1991 - директор Центра комплексного развития технологий и энерготехнологических систем (КОРТЭС). Член Международной ассоциации по водородной энергетике (с 1982). Вице-президент Российского энерготехнологического конгресса (с 1992). Образование: Московский авиационный институт, факультет «Двигатели летательных аппаратов», спец. «Космические энергоустановки» (1973).
В 1982 защитил диссертацию по теме «Оптимизация схем и параметров ядерных энерготехнологических станций с высокотемпературными реакторами». Доктор технических наук. Аттотй Як0влевич Публикации: более 100 статей и докладов в научных изданиях. Более 35 патентов на изо-
СтОЛЯревСкий бретения (ядерная энергетика, преобразование энергии).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (73) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Введение
Автотранспорт является одним из крупнейших загрязнителей окружающей среды. Величина ежегодного экологического ущерба (загрязнение атмосферы, шум и т.д.) от функционирования автотранспортного комплекса Российской Федерации достигает 1,5-2% валового национального продукта (ВНП) России.
В Москве, где на городской территории сосредоточено около 10% всего автопарка страны, транспорт является одним из основных загрязнителей - на его долю приходится более 80% всех выбросов в городскую атмосферу. В виде отработавших газов, продуктов испарения бензина и других вредных примесей в атмосферу ежегодно выбрасывается более 1 млн тонн загрязняющих веществ.
Наиболее остро негативные последствия автотранспортной деятельности проявляются на городских территориях, характеризующихся интенсивным движением транспорта. Для населения, проживающего на таких территориях, существует реальная угроза здоровью в связи с загрязнением окружающей среды выбросами и отходами автотранспорта, а также сверхнормативным шумовым воздействием от транспортных потоков.
В центральных районах города Москвы концентрации в воздухе оксида углерода, оксидов азота и углеводородов в разы превышают предельно допустимые пределы.
Воздействие автомобильного транспорта на окружающую среду весьма разнообразно: материальные загрязнения (газообразные, жидкие и твердые), энергетические загрязнения (шум, вибрация, тепловое и электромагнитное излучение).
Однако наиболее остро стоит проблема загрязнения воздушного бассейна вредными выбросами с отработавшими газами автомобильных двигателей.
Среди причин, способствующих росту негативного воздействия автотранспорта на состояние окружающей среды города и здоровье населения, необходимо отметить низкие экологические характеристики автомобилей и моторного топлива.
С апреля 2006 года в соответствии с постановлением Правительства РФ от 12 октября 2005 г. № 609 «Об утверждении специального технического регламента «О требованиях к выбросам автомобильной техникой, выпускаемой в обращение на территории Российской Федерации, вредных (загрязняющих) веществ» введены экологические нормы Евро-2.
Специальным техническим регламентом установлен порядок введения в действие нормативов выбросов в отношении автомобильной техники:
экологического класса «Евро-3» - с 01 января 2008 г.;
экологического класса «Евро-4» - с 01 января 2010 г.;
экологического класса «Евро-5» - с 01 января 2014 г.
Анализ подвижного состава городского автотранспорта показывает, что в Москве на начало 2006 г. из общего количества зарегистрированного автотранспорта количество автомобилей, соответствующих экологическим нормам Евро-2 и выше, составляло не более 660 тыс. единиц (60% от автотранспорта со сроком эксплуатации до 5 лет), или 23% от общего количества.
По экспертным оценкам, суммарный вклад грузовых автомобилей и автобусов массой свыше 3,5 т в ущерб окружающей среде составляет соответственно 64% (при выполнении всем автомобильным парком норм Евро-0) и 87% (при выполнении всем автомобильным парком норм Евро-2).
Поэтому наибольшие усилия по защите окружающей среды должны быть направлены именно на эти группы автотранспорта.
В настоящее время доля газовых автомобилей на компримированном природном газе (КПГ) составляет около 0,6% от общего мирового парка. Ежегодный прирост составляет 30-40%. В США и Японии доля газовых автомобилей в 2010 г. должна превысить 1%. В Европе к 2020 г. планируется довести эту величину до 10%. Уже в настоящее время доля газобаллонных автомобилей (ГБА) на КПГ в Италии превышает 1%, а в Аргентине - 7%, и эти показатели постоянно увеличиваются.
В России при умеренной динамике количество ГБА на КПГ может достичь в 2010 г. 0,5% от общего парка, а в 2020 г. - 2,5%. В ближайшие годы (20052010) при темпе прироста производства и использования КПГ на 20% парк ГБА должен увеличиться на 6-10 тыс. ед./год до 2006 г. и на 15-25 тыс. ед./год после 2008 г.
Наиболее высокие темпы увеличения парка автомобилей, использующих КПГ, в абсолютном исчислении отмечаются в современный период в развивающихся странах: Бразилия - 100 тыс. ед./год; Пакистан - 200 тыс. ед./год; Аргентина - 90 тыс. ед./год.
В ближайшие годы интенсивный рост парка ГБА предполагается в Западной Европе, где на уровне 2020 г. ожидается прирост на 23,5 млн ед. (10% парка); в Японии в 2010 г. - не менее 1 млн ед. (1,3% парка); в США в 2010 г. - 1-2 млн ед.
В предположении 30-35% ежегодного роста к 2010 г. парк ГБА достигнет 17-23 млн ед., или около 3% от общего мирового парка.
Согласно расчетам лаборатории прогнозирования использования и экономики газомоторного топлива ВНИИГАЗа, прогнозируемый объем потребления КПГ автотранспортом может достигнуть 20-25 млрд куб. метров в год. Период освоения таких объемов оценивается в 10-12 лет.
Резкий скачок цен на нефтяные моторные топлива стал дополнительной важной мотивацией массового перевода на природный газ автотранспорта, развития сети газозаправки на большинстве автомагистралей и в населенных пунктах.
■ J
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (73) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
9
Согласно проекту федерального закона «Об использовании альтернативных видов моторного топлива», финансово-экономическое обоснование которого цитируется далее, используемый как альтернативное моторное топливо газ сжиженный нефтяной (ГСН) в настоящее время теряет привлекательность вследствие резкого повышения цен на рынке моторных топлив.
По наиболее перспективному топливу - водороду развернуты широкомасштабные НИОКР с целью в следующем десятилетии коммерциализировать топливные элементы для преобразования энергии водорода на борту транспортного средства, решить вопросы его экономичного хранения и производства [1-3].
Таким образом, в настоящее время наиболее технически подготовленным альтернативным моторным топливом в России является компримированный природный газ (КПГ), технико-экономическое и экологическое обоснование эффективности увеличения объемов его использования выполнено именно для этого вида моторного топлива [4-6].
В качестве примера предусматривается за три года увеличить парк газобаллонных автотранспортных средств на 100 тыс. единиц, в том числе легковых автомобилей (на 5% с годовым пробегом в 25 тыс. км), грузовых малотоннажных (55%, 30 тыс. км), крупнотоннажных (35%, 35 тыс. км) автомобилей и автобусов (5%, 25 тыс. км). При этом потребность в КПГ возрастет на 890 млн куб. м и превысит 1 млрд куб. м.
Основной рост реализации КПГ возможен за счет загрузки существующей сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС) с использованием передвижных автогазозаправщиков (ПАГЗ).
Дальнейшее развитие сети осуществляется за счет строительства новых АГНКС производительностью 560 млн куб. м КПГ в год. Инвестиции в сооружение станций оцениваются в 2,5 млрд рублей.
При этом за счет увеличения реализации ком-примированного природного газа (при стоимости 1 куб. м в 4 руб. и тенденциях дальнейшего роста стоимости) налог на прибыль возрастает с 1037 млн руб. до 2592 млн руб., в том числе поступления в Федеральный бюджет возрастут с 216 до 702 млн рублей и субъектов Российской Федерации - с 0,73 до 1,89 млрд руб.
Замещение нефтепродуктов компримированным природным газом открывает дополнительные возможности для поступлений в бюджет за счет увеличения экспорта нефти и продуктов ее переработки.
Сегодня в стоимости топлив на рынке энергоносителей не учитывается ущерб от их использования, наносимый окружающей среде и здоровью населения. Однако общество вполне реально несет затраты на компенсацию этого ущерба. Очевидно, что в реальной экономике при сравнительном анализе эффективности транспортных систем эти затраты
должны включаться в стоимость топлив. При этом должны учитываться вредные воздействия на окружающую среду по всей технологической цепочке -от производства топлива до его конечного потребления. Многочисленные исследования, выполненные за рубежом, показывают, что полный ущерб от сжигания нефтяных топлив по высшей теплоте сгорания составляет (1998 г.) около 12,5 долл./ГДж (примерно 0,5 долл./л бензина). На эту величину социальная стоимость бензина для автотранспорта, учитывающая стоимость компенсации ущерба от его использования, превышает рыночную. При сравнении эффективности использования топлив по их стоимости с учетом ущерба окружающей среде (т.е. по социальной стоимости) изменяются приоритеты топлив.
Предотвращенный экологический ущерб только части парка АТС за шесть лет составит около 5 млрд рублей.
В Российской Федерации, помимо автотранспортных средств (более 34 млн единиц) функционирует значительная доля стационарной техники с двигателями внутреннего сгорания. Таким образом, масштабное использование природного газа в качестве моторного топлива позволит уменьшить экологический ущерб на десятки миллиардов рублей.
В структуре ущерба окружающей среде и здоровью населения от выбросов автотранспорта в городах 9 веществ определяют 95% суммарного ущерба: оксиды азота (44,5%), свинец (21%), акролеин (7,5%), сажа (7,4%), оксид углерода (6%), диоксид серы (3,4%), формальдегид (2,8%), бенз(а)пирен (1,3%), ацетальдегид (1,1%).
Применение на транспорте компримированного природного газа (КПГ) вместо жидких моторных топлив (ЖМТ) позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду в 2-3 раза. Сравнительные данные по массовым выбросам загрязняющих веществ с отработавшими газами двигателей транспортных средств в условиях повседневной эксплуатации, полученные Институтом автомобильного транспорта Минтранса России, показали, что вредность выбросов, приведенная к эквивалентному количеству СО, при переводе транспортных средств на природный газ снижается:
для грузовых автомобилей:
- с карбюраторным двигателем - на 69%;
- с дизельным двигателем при переводе в газодизельный режим - на 53%;
для автобусов:
- с карбюраторным двигателем - на 76%;
- с дизельным двигателем при переводе в газодизельный режим - на 44%.
Приведенные выше материалы и показатели взяты из источника [6].
Нормы, принятые в различных странах, регулируют выбросы автомобилей похожим образом (двигатели внутреннего сгорания по циклу Отто, г/км) (табл. 1, рис. 1).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (73) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Таблица 1
Сравнение норм по выбросам
Table 1
Comparison of norms on emissions
Вид выброса Евро-1 Евро-2 США Скандинавские страны Австрия Япония Австралия
СО 2,72 2,2 2,1 2,1 2,1 2,1 2,1
СН - - 0,25 0,25 0,25 0,25 0,26
NOx в городе 0,62 0,62 0,63
NOx за городом 0,76
Твердые частицы (сажа) - - 0,08 0,12 0,12 0,2 -
Рис. 1. Динамика роста требований к содержанию окислов азота в выхлопных газах автомобильных дизелей мощностью более 85 кВт: b - удельный расход топлива; NOx - оксиды азота Fig. 1. Trends in regulations concerning Nox content in effluent gases of the diesel vehicles with power more than 85 kW: b - specific fuel consumption; NOx - nitrogen oxides
Европейские нормы по выбросам легковых автомобилей European norms on emissions of cars
Таблица 2 Table 2
Допустимые нормы выхлопа для легковых автомобилей в Европе, г/км
Стандарт Год Моноксид углерода, CO Оксиды азота, NOx Твердые частицы, PM
Дизель
Евро-1 1993 2,72 - 0,140
Евро-2 1996 1,0 - 0,080
Евро-3 2000 0,64 0,50 0,050
Евро-4 2005 0,50 0,25 0,025
Евро-5 2009 0,50 0,18 0,005
Евро-6 2014 0,50 0,08 0,005
Бензин
Евро-1 1993 2,72 - -
Евро-2 1996 2,20 - -
Евро-3 2000 2,30 0,15 -
Евро-4 2005 1,00 0,08 -
Евро-5 2009 1,00 0,06 0,005
Евро-6 2014 1,00 0,06 0,005
По данным www.dieselnet.com
В Европе ориентируются на нормы, принятые ЕЭК (табл. 2).
В США Минэнерго опубликовало сравнение грузовых автотранспортных средств, работающих на КПГ и дизельном топливе, выполненное компанией United Parcel Service (UPS). Показано, что переход на
КПГ снижает выбросы вредных частиц на 95%, СО -на 75%, оксидов азота на 49% (UPS CNG Truck FleetFinal Report, USDOE/NREL, August 2002).
При модификации двигателей, работающих по циклу Отто и использующих природный газ в ком-примированном виде (КПГ), удельные выбросы пар-
¿í ¿í
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (73) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
11
никовых газов (приведенных к СО) по всей технологической цепочке КПГ оцениваются в 72,8 г/МДж, т.е. ниже, чем у двигателей, работающих на дизельном топливе (84,9 г/мл, также приведенных к СО).
Особенности газовых видов топлива
Водород - самое эффективное и экологически чистое топливо. Мировое производство водорода превышает 550 млрд м3. По низшей теплоте сгорания единицы массы он в 2,75 раза превосходит бензин, имеет более высокий нижний предел и значительно более широкий интервал воспламенения в смеси с воздухом (от 4 до 75 объемных %), на порядок более высокую скорость распространения ламинарного пламени (примерно 3 м/с), более низкие значения энергии инициирования воспламенения стехиомет-рической смеси (0,018 мДж) и расстояния гашения (0,6 мм) и более высокие температуры сгорания (для ламинарного пламени в воздухе - 2300 К) и самовоспламенения в воздухе (850 К). Эти уникальные свойства водорода обеспечивают возможность повышения КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в 1,5-1,7 раза по сравнению с ДВС на бензине, причем реальный цикл ДВС при работе на водороде существенно ближе к теоретическому, чем на любом углеводородном топливе. В двигателях внутреннего сгорания водород может использоваться как основное топливо и в качестве добавки к традиционным углеводородным, инициирующей процесс сгорания бедных углеводо-родно-воздушных смесей. В последнем случае также достигается повышение топливной экономичности и резкое снижение токсичности выбросов.
Перевод на альтернативное топливо становится важным этапом применения чистого водорода в качестве топлива для автотранспорта - создания водородного электромобиля с топливным элементом и электроприводом. В этом случае КПД двигательной установки на водороде при городском цикле езды (с многочисленными остановками, торможениями и ускорениями) может достигать 50-55%, что почти в 2 раза превышает КПД водородного и в 2-2,5 раза бензинового двигателя внутреннего сгорания, а также обеспечивается полное отсутствие вредных выбросов.
Активные исследования и разработки в области водородной энергетики и технологии начались в нашей стране в середине 70-х годов. Они проводились по многим направлениям крупными научными коллективами под руководством А.П. Александрова, В.А. Легасова, Н.Н. Пономарева-Степного, Н.Д. Кузнецова, A.M. Фрумкина, Р.Е. Лозино-Лозинского, А. А. Туполева, В.П. Глушко, В.П. Бармина, А.Н. Ба-рабошкина, В.П. Белякова, А.Н. Подгорного и других выдающихся ученых и крупных организаторов науки. Разрабатывались новые технологические процессы крупномасштабного производства водорода и водородсодержащих газов из природных топлив, воды и нетрадиционного сырья, методы и средства его хранения, транспортировки и распределения,
технологии использования водорода и искусственных топлив на его основе в энергетике (в т.ч. автономной), автотранспорте, авиации, ракетной технике, металлургии, химической промышленности и других отраслях народного хозяйства. Была обеспечена координация фундаментальных и прикладных исследований по линии Академии наук и ГКНТ. Начиная с середины 70-х гг. систематические исследования проблем использования водородного топлива для автотранспорта выполняли Институт проблем машиностроения АН Украины (Харьков), Научный автомобильный и автомоторный институт (НАМИ, Москва), НПО «Квант» (Москва), Институт атомной энергии им. И.В. Курчатова (Москва), институты Сибирского отделения Академии наук и ряд других организаций. Главными задачами этих исследований и разработок являлись снижение токсичности выбросов и повышение эффективности использования первичных энергоресурсов. Поскольку в крупных городах число автомобилей весьма велико и существует развитая инфраструктура их топливообеспечения, рациональным путем внедрения водородного топлива в автотранспорт было признано создание на базе существующих моделей автомобилей с ДВС, способных работать как на водороде, так и на бензово-дородных смесях различного состава. Одновременно с этим разрабатывались двигательные установки для перспективных автомобилей с нулевым выбросом на базе водородо-воздушных топливных элементов и элементы инфраструктуры.
В результате обширных экспериментальных исследований были детально изучены рабочие процессы в двигателях на различных видах альтернативного топлива, водороде и бензоводородных смесях как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Созданы универсальные системы питания автомобильных двигателей, обеспечивающие их устойчивую работу на природном газе, водороде, бензоводо-родных смесях и бензине, и эффективные системы хранения на борту.
Опытная эксплуатация автомобилей на альтернативном топливе, осуществлявшаяся в стране и за рубежом, показала перспективность перевода автотранспорта на водородометановые смеси с содержанием водорода от 5% до 10% по весу (20-40% по объему). При этом резко (в 2-4 раза) снижается токсичность выбросов, эксплуатационный расход углеводородного топлива уменьшается на 35-40%, а эксплуатационная экономичность повышается на 20-25%.
Использование Иуйшпе на автобусах в Калифорнии показало, что выбросы оксидов азота снижаются на 50%, метана - на 16%, углеводородов на 23%, СО 2 - на 7% в сравнении с автобусами, работающими на природном газе. Китай к 2008 году намеревается перевести 10000 дизельных автобусов в 5 городах на Иу1Ьапе.
Компания 81аЮ11 (Норвегия) в августе 2006 г. открыла автозаправку водородометановой смесью в Ставангере. Ранее заправки смесью ИуШапе открылись в Канаде, США, Бельгии, Австралии, Индии.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (73) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
С 2005 г. Группа Gaz de France эксплуатирует заправки смесью Hythane в Дюнкерке и Тулузе. Смесь производят смешением природного газа и водорода, производимым электролизом воды.
Если перевод автотранспорта на природный газ позволяет обеспечить нормы Евро-3 и (с переходом на новые усовершенствованные двигатели) также и Евро-4, то водородометановые смеси при доле водорода не менее 20% даже на существующих двигателях выполняют нормы Евро-4, а при повышении доли водорода в смеси до 44-48% (смеси типа ВМС) выполняют нормы Евро-5.
Эффективность снижения вредных выбросов при использовании водородо-метановых смесей (ВМС) выше, чем при прямом использовании водорода сравнимого объема. Дело в том, что при переводе, например, 10% автопарка на чистый водород (снижающий выбросы практически до 0) общий эффект снижения выбросов всего автопарка равен 10%, а при использовании ВМС с содержанием водорода 10%вес. на всех транспортных средствах этого автопарка общее снижение выбросов всего автопарка составляет 50%, т.е. эффективность применения водорода возрастает в 5 раз [7].
В отличие от водорода, используемого в топливных элементах, где жестко ограничиваются примеси (особенно моноксида углерода) и требуемая чистота достигает 99,9999%, в смесях типа ВМС требования к чистоте не являются столь жесткими, поскольку большая часть примесей является компонентом топлива и сжигается в основном процессе двигателя [8, 9].
В отличие от работы ДВС на природном газе использование ВМС позволяет работать на более «бедных» смесях (увеличивая коэффицент избытка воздуха) без потери в эффективности двигателя и полноте сгорания, что позволяет добиться резкого снижения наиболее токсичных выбросов NOx [10] без одновременного роста выброса углеводородов. Это является следствием обеднения топливовоздушной смеси выше а = 1,5, при котором температура цикла уже недостаточна для образования оксидов азота [10].
эффективность (мех.КПД)
0.24 -1-1-1-1-1-I-
0 20 da 60 3D 100 120 140 160
мощность. кВт
Рис. 2. КПД и мощность газопоршневого двигателя на водороде и природном газе Fig. 2. The efficiency and power of ICE engine used hydrogen and natural gas
Этот эффект проявляется при одновременном росте КПД, что улучшает экономичность двигателя и его эксплуатационные характеристики.
На рис. 2 показаны характеристики двигателей проекта P&T при работе на чистом водороде (NOx < 2 мг/нм3 или < 5ppm), а также на природном газе с выбросами NOx на уровне TA-LUFT (NOx < 500 мг/нм3) и 1/2 TA-LUFT (Nox < 250 мг/нм3).
При работе на природном газе (NOx < 250 мг/нм3) коэффициент избытка воздуха X составлял X = 1,62 (температура выхлопных газов 530° С), а при работе на водороде X = 2,58 (температура выхлопных газов 395° С).
Помимо того, что двигатели при работе на водороде показали более высокий индикаторный КПД (благодаря более высокой скорости пламени), так еще и благодаря низкой температуре в камере сгорания уровень выбросов NOx оказался чрезвычайно низким (менее 2 мг/нм3 при 5% О2). Это позволяет практически говорить о нулевых выбросах вредных веществ (выбросы СО и NMHC при работе на водороде отсутствуют, так как нет углерода в топливе).
Рис. 3 отражает достигнутые на сегодня уровни выбросов NOx у двигателей GE Jenbacher при их работе на пиролизном, коксовом, ферросплавном и других водородосодержащих газах.
100 ED
ЕС
■JC
га
о
TS pyrolysis gas 2SV Harhoore Ну Gen Krems Chemie выбросы <70 < 10D <60 <50 <5
NOx, мг/нм3
Рис. 3. Достигнутые уровни выбросов NOx при работе на разных газах
Fig. 3. NOx emission rates at the different fuel gases tests
Первый столбец отражает выбросы NOx при работе газопоршневых установок на пиролизном газе (газификация отходов). В данном применении среднее эффективное давление в цилиндре принято BMEP = 1,0 МПа. В принципе возможно снижение выбросов NOx и ниже 70 мг/нм3 путем дальнейшего обеднения смеси, однако это приведет к снижению мощности двигателя и ухудшению общих экономических показателей станции.
Существует также газ под брэндом «HyGen», являющий собой смесь метана и водорода. На основании опыта GE Jenbacher можно утверждать, что целесообразно применять смесь водорода с метаном с долей H2 от 15% с целью снижения выбросов NOx до уровня ниже 50 мг/нм3. Более низкое содержание водорода не увеличивает скорость сгорания смеси, а это не позволяет работать с высоким коэффициентом избытка возду-
13
■
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (73) 2009 '"I © Научно-технический центр «TATA», 2009
объемная доля, %
73 □ СН4
— 34 г □ СО ■ Н2
4« 5 28
— 3L-.
1С Г1 Г.
ха. На рис. 4 показано, как содержание водорода в метане увеличивает скорость сгорания и таким образом расширяет «окно» воспламеняемости смеси.
При содержании водорода H2 в смеси с метаном до 5% скорость сгорания не увеличивается вовсе, при содержании H2 = 10% коэффициент X может быть расширен до 2, и лишь при содержании H2 > 10% можно достичь крайне низких показателей выбросов NOx.
При работе на газе с высоким содержанием водорода может быть обеспечен очень высокий электрический КПД (в среднем на 2% выше, чем при работе на природном газе). [Использованы материалы компании GE Jenbacher GmBH & Co OHG (Dr. Gunter Herdin).]
Рис. 4. Увеличение скорости сгорания природного газа
путем подмешивания водорода Fig. 4. The acceleration of the natural gas burning by means of hydrogen mixing
По отечественным исследованиям, в т.ч. ИХФ РАН, делается утверждение о невозможности радикально решить проблему перехода на бедное горение при использовании однородных (идеально перемешанных) смесей: такие смеси просто не могут устойчиво воспламеняться в режимах низких нагрузок реального двигателя независимо от его конструкции. Этот тезис подтверждается также и имеющимися данными о расширении эффективного бедного предела при неидеальном смешении. В то же время результаты указывают на возможность резкого улучшения характеристик процесса сгорания при использовании водорода в качестве топлива или его компонента (совместно с углеводородным топливом). Создание оптимальной схемы процесса сгорания с использованием водорода в качестве добавки к основному (углеводородному) горючему является предметом исследований, проводимых в настоящее время за рубежом, и будет оставаться актуальным в обозримой перспективе ввиду экологических преимуществ водорода. В связи с общей тенденцией роста цен на нефть особое внимание уделяется исследованию горения и разработке ГТД для смесей водорода с метаном (hythane). Сформулированные выше результаты показывают, что ресурсы дальнейшего совершенствования процесса сгорания практически исчерпаны и перспективы улучшения экономических и экологи-
ческих характеристик ГТД следует связывать с применением водорода в сочетании с метаном или другим дешевым горючим.
Технология производства ВМС
В России в рамках работ по атомно-водородной энергетике разработана и принята Роснаукой и Ро-сатомом технология адиабатической конверсии метана (АКМ [11, 12]), позволяющая на базе отработанных промышленных технологий, процессов и катализаторов создать эффективное производство ВМС с содержанием водорода 44-48%, при заправке в существующие газомоторные автомобили выполняющую нормы Евро-5 при высоких эксплуатационных показателях.
По технологии АКМ с применением сторонних высокотемпературных энергоисточников (ядерных, солнечных) из 1000 м3 природного газа производится более 4000 м3 водорода. При работе на природном газе с производством ВМС без сторонних энергоносителей в процессе АКМ выход ВМС с содержанием водорода 48% составляет 1500 м3 на 1000 м3.
Технология АКМ существенно упрощает промышленный процесс, поскольку не требует производства кислорода и происходит при более низких температурах (до 700° С), не требует энерго- и капи-талозатратного электролиза воды и построена на отработанных в крупнотоннажной химии технологических решениях, режимах и катализаторах.
В отличие от технологии производства Hythane (ВМС с меньшим содержанием водорода [8, 9]), развиваемой одноименной компанией (дочерней фирмой BREHON ENERGY PLC), расположенной в Денвере (США), в предлагаемой технологии ВМС конечный продукт производится не за счет смешения природного газа с производимым в отдельной установке чистым водородом, а в одну стадию путем АКМ, что существенно упрощает и удешевляет производство.
Эффективность технологической установки в значительной степени зависит и от весогабаритных характеристик основного и вспомогательного оборудования, а также общей схемы процесса. При этом важна не только собственно технологическая схема установки, но и ее энергетическая составляющая, позволяющая органически наиболее оптимальным путем использовать преимущества высоких параметров ведения технологического процесса.
При разработке общей концепции установки учитывается опыт, накопленный в процессе промышленного внедрения двухступенчатого процесса паро-кислородной конверсии по схеме «ТАНДЕМ», а также опыт разработки процесса АКМ с высокотемпературным гелиевым реактором МГР-Т [1-2, 11-12].
При производстве альтернативного топлива, в качестве которого рассматривается водородометановая смесь (ВМС), в качестве критерия целесообразности нами принимается расход невозобновляемого сырья, каким является природный газ, а также энергоемкость производства.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (73) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Для производства водородометановой смеси как топлива из природного газа, позволяющего снизить энергоматериальные затраты на производство ВМС в сравнении с традиционными методами, используется процесс АКМ [11].
Сырьем для производства этого продукта является природный газ; энергоносителем - дымовые газы продуктов сжигания газа. Готовая продукция: водо-родометановая смесь с содержанием водорода 48%, сжатая до давления 70 атм.
Концепция предполагает осуществление процесса адиабатической паровой каталитической одноступенчатой конверсии с удалением диоксида углерода методом короткоцикловой безнагревной адсорбции с возвратом части продукционной фракции на процесс конверсии. Вариант предполагает максимальное использование исходного углеводородного сырья для получения продукционной ВМС.
Химико-технологический блок (ХТБ) [11, 12]) предназначен (рис. 5):
- для очистки технологического природного газа от каталитических ядов, к числу которых относятся соединения серы;
- производства водородсодержащего газа методом паровой адиабатической конверсии;
- выделения диоксида углерода из газа;
- получения товарной продукции (ВМС);
- обеспечения собственного потребления пара и энергии;
- хранения и выдачи продукционной ВМС.
В энерготехнологической схеме производства синтез-газа для водородометановой смеси приняты следующие технические решения, направленные на достижение минимального расхода энергии и максимальной производительности.
Рис. 5. Схема установки производства МВС с одноступенчатой АКМ: 1 - подвод природного газа из магистрального газопровода; 2 - компрессор; 3 - газ нагрева ПГС; 4 - нагрев ПГС; 5 - реактор; 6 - парогенератор; 7 - узел смешения с водяным паром; 8 - дымовые газы; 9 - питательная вода; 10 - конденсатор; 11 - сепаратор влаги; 12 - ресиверы Fig. 5. The scheme of MHM facility with one-step ACM: 1 - input of natural gas from a main gas pipeline; 2 - compressor; 3 - fuel gas; 4 - heating of steam-gas flow; 5 - reactor; 6 - steam generator; 7 - units of gas-steam mixture; 8 - effluent gases; 9 - desalinated water; 10 - condenser; 11 - moisture separator; 12 - receivers
Блок подготовки технологического сырья включает:
- подогреватель сжатого технологического природного газа или его смеси с водородом до температуры 350-400° С;
- адсорбер гидрирования сернистых соединений до сероводорода на алюмокобальтмолибденовом катализаторе;
- адсорбер поглощения сероводорода, загруженный окисью цинка.
Блок конверсии природного газа включает:
- конвективные трубчатые подогреватели, размещаемые в корпусе теплообменника 4 и предназначенные для перегрева реакционной парогазовой смеси (ПГС) перед реактором адиабатической конверсии 5;
- радиальные или аксиальные реакторы адиабатической конверсии парогазовой смеси 5, загруженные никелевым катализатором;
- змеевиковые охладители конвертированного газа 6 с получением технологического пара давлением до 80 атм (8 МПа).
Блок КБА включает 4 периодически работающих адсорбера, коллекторы подвода и отвода газа.
Конвертированный газ в стадии адсорбции подается в адсорбер снизу. По мере движения газа из него адсорбируется преимущественно диоксид углерода кроме водорода, СО и метана. Водород и метан (с небольшой примесью СО) выходят из адсорбера в виде ВМС. Один адсорбер находится в стадии адсорбции, остальные три - в стадии регенерации. Регенерация адсорберов осуществляется сбросом давления и системой сложных операций по продувке адсорбента чистой ВМС. Продукт частично используется как рециркуляционный газ, возвращаемый на стадию конверсии природного газа, а отбросной фракцией является СО2.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 5 (73) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Блок обеспечения собственного потребления пара включает:
- пусковой и вспомогательные котлы, использующие в качестве топлива природный газ и предназначенные для пуска установки из холодного состояния и поддержания рабочего давления в паровой системе при осуществлении нормального технологического режима;
- циркуляционные компрессоры рециркуляционного газа после стадии выделения водородо-мета-новой смеси;
- утилизаторы высокотемпературного тепла конвертированного газа с целью получения технологического водяного пара для конверсии природного газа.
Хранение продукционной ВМС - система реципиентов, обеспечивающая промежуточное хранение ВМС под давлением 70 атм с целью непрерывной отгрузки на заправку автотранспорта и в газопровод.
Природный газ 1 поступает на установку из сети с давлением 0,7-7,0 МПа, затем направляется на компрессию 2, где сжимается до давления 8,0-7,8 МПа, после чего смешивается со сжатой до давления природного газа частью рециркуляционного газа после короткоцикловой адсорбции. Далее газовая смесь направляется в подогреватель, где нагревается до температуры 370-400° С дымовыми газами, образующимися при сжигании газа в огневом нагревателе (теплообменнике 4).
Очистка природного газа от сернистых соединений принята в две ступени:
I-я ступень - гидрирование органических соединений серы в сероводород;
II-я ступень - поглощение сернистых соединений.
Водород, необходимый для осуществления гидрирования органических соединений серы в природном газе, поступает вместе с рециркуляционным газом.
Подогретая газовая смесь поступает в реактор сероочистки, где на алюмокобальтмолибденовом катализаторе органические сернистые соединения в присутствии водорода подвергаются гидрированию. При этом органические соединения серы превращаются в сероводород, который далее поглощается активированным оксидом цинка.
Очистка природного газа от сероводорода производится в реакторах поглощения, загруженных оксидом цинка.
Реакторы поглощения могут быть включены в работу последовательно или параллельно.
После аппаратов сероочистки газовая смесь, очищенная до массовой концентрации серы менее 0,5 мг/м3 (в пересчете на серу), смешивается с перегретым паром до соотношения пар/газ, равного 5,0, и затем парогазовая смесь с температурой 450° С направляется в теплообменник 4, где тепло дымовых газов используется для подогрева парогазовой смеси до 650° С, а затем поступает на конверсию природного газа в адиабатический реактор 5.
В адиабатическом реакторе 5 на никелевом катализаторе типа Г'ИАП-16 при температуре на выходе 611° С происходит частичная конверсия метана с паром
до объемной доли метана не более 40%. На выходе из реактора 5 предусмотрен встроенный котел-утилизатор 6 для получения пара из питательной воды 9.
Конвертированный газ из адиабатического реактора проходит последовательно котел-утилизатор, подогреватель питательной деаэрированной воды, где происходит утилизация высокопотенциального тепла конвертированного газа. Охлаждение газа до 170° С происходит в теплообменниках теплофикационной воды.
Очистка конвертированного газа от СО2 осуществляется в одну ступень.
Производство ВМС не требует глубокой конверсии метана. В связи с этим схема по сравнению с процессом АКМ для производства водорода или синтез-газа, ранее изложенная в [11, 12], упрощается. Учитывая необходимость максимально возможного упрощения процесса и сокращения затрат на оборудование, отмывка СО2 может быть исключена, а нагрузка по удалению диоксида углерода переложена на блок КБА.
Расход природного газа в количестве 332 м3/ч включает как сырье на технологию (302 м3/ч), так и 30 м3/ч природного газа на сжигание в нагревателе 4.
Список литературы
1. Пономарев-Степной Н.Н., Столяревский А.Я. Атом-но-водородная энергетика // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2004. № 3(11). С. 5-10.
2. Ponomarev-Stepnoy N., Stolyarevsky A. Major aspects of strategy of hydrogen-base power development with nuclear energy sources // Proc. of Intern. Conf. on Fifty Years of Nuclear Power - the Next Fifty Years, 27 June-2 July 2004, Obninsk, RF.
3. Столяревский А.Я. Ядерно-технологические комплексы на основе высокотемпературных реакторов. М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Состояние и перспектива использования газовых видов топлива на транспорте // Издание Фонда «Мосэко-транс». М., 2000.
5. Пронин Е.Н., Чириков К.Ю. Газовое моторное топливо в России: нормативно-правовая база // Газовая промышленность. Сент. 2001 г.
6. Ресурсы Интернет: http://www.gazprom.ru/docs/topics/ 4223.shtml.
7. Столяревский А.Я., Чувелев А.В. В сб. «Вопросы атомной науки и техники», сер. «Атомно-водородная энергетика». 1988. №8. С. 244-259.
8. Патент США № 5787864, 1998.
9. Заявка на патент США № US20060442836, май 2006.
10. Раменский А. Ю. и др. Разработка экологически чистого автомобиля для крупных мегаполисов. В сб. тр. II межд. симпозиума по водородной энергетике. М.: МЭИ, 2007. С. 192-196.
11. Столяревский А.Я. Технология получения синтез-газа для водородной энергетики // Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» (ISJAEE). 2005. № 2(22). С. 26-32.
12. Столяревский А.Я. Бескислородное производство синтез-газа и альтернативных моторных топлив на его основе с использованием адиабатической конверсии природного газа / В сб. тезисов докл. межд. конф. «Альтернативные источники энергии для транспорта и энергетики больших городов». М.: Прима-Пресс, 2005. С. 81.
— TATA — LXJ
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 5 (73) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
