1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (Введение в водородную энергетику. Э.Э. Шпильрайн, С.П. Малышенко, Г.Г. Кулешов, 1984u), страница 4

По мнению многих авторов, эти функции могли бы выполнять водород и искусственные жидкие и газообразные топлива на его основе, получаемые из воды и угля с затратой первичных энергоресурсов 1), 21. Вытеснение природных жидких и газообразных топлив из энерготехнологических производств в химии„ нефтехимии, нефтепереработке, металлургии будет происходить путем создания крупных энерготехнологических комплексов, использующих ядерную энергию и уголь. Большинство схем таких энерготехнологических комплексов, а также процессов и схем получения искусственных жидких и газообразных топлив с затратой ядерной энергии и путем переработки угля вклкшают в себя в качестве важнейших элементов блоки для получения водоро1ч да или водородсодержащих газов в сочетании с источником первичной энергии, Таким образом, определяющим для развития нескольких крупных направлений энергетики и энерготехнологин становится комплекс проблем, связанных с получением и использованием водорода, что и определяет название этого нового научного направления — водородная энергетика и технология.

Собственно проблема водородной энергетики и техноло-' гии включает несколько аспектов. Во-первых, речь идет о разработке экономичных и технически приемлемых методов получения водорода. При этом в первую очередь должны рассматриваться методы получения водорода из воды, которые включают в себя электролиз, термохимические методы и их комбинации, фотолиз, радиолиз и некоторые другие. Далее интерес представляют методы получения водорода, связанные с переработкой угля.

Наиболее расп1ространенный в настоящее время метод получения водорода из природного газа не решает проблемы полного замещения газового топлива, однако представляет большой интерес в связи с возможностью производства водорода из п~риродного газа с использованием ядерного топлива для компенсации теплового эффекта эндотермической реакции конверсии, что позволяет сэкономить до 40% природного газа. Во-вторых, важным аспектом является хранение, транспорт и распределение водорода. Здесь необходимо рассматривать хранение, т1ранспорт и распределение как газообразного, так и жидкого водорода, а также хранение водорода в связанном виде в гидридах и другие, методы.

В-третьих, большой частью проблемы является изучение вопросов использования водорода в химической промышленности, энергетике, авиации и на транспорте, в нефтепереработке и нефтехимии, в металлургии и некоторых других отраслях народного хозяйства. Разумеется, каждый из этих аспектов включает в себя вопросы техники безопасности, технологии, материалове- дения, измерительной техники и многие другие Однако, прежде чем перейти к рассмотрению этих вопросов следует оценить существующие и перспективные масштабы производства и потребления водорода в ~различных областях народного хозяйства, а также общие особенности процессов производства, транспорта, хранения и использования водорода, связанные с особенностями энергоисточников, возможных потребителей и физико-химическими свойствами самого водорода как энергоносителя.

2 12 17 от й .' о. Х х ь х бо о о. о 3 х кх о Й х о х Д о Д о о 1 $. ы а о 5Г~ ъ и оч сь $ $ о го й о о'. ы $ .$ х х х $Ч $- к $ А ы й И о й и и о' ох я б 5.' $ о в х в х и в кп о х $ О$ Оо оо со $ Ы." ох о х Е й $$ 11 о. ы х 3 К м ы о О. о г о Ы м О$ о $ ы Я о х и о х х м х х х о И е И- "х 1 С$ хй х $ х о $ 3— йх $о '.к * 3 ." Д х $ со Ж $О ох) о$ в ,х 3 и' а й хВ х Е ых о х- ы о Я 4Л. ©ивико-химические свойства водороде Водород очень широко распространен в природе, ои входит в состав многих органических и неорганических соединений (соединений водорода известно больше, чем какого лноо дртгого элемента) и встречается в свободном, несвязанном состоянии. В свободном состоявни при нормальных условиях водород является газом, пе обладающим ни цветом, ни запахом, ии вкусом. В газообразной форме это самый легкий газ, в жидком (при Т(33 К) и твердом (при 7<13 К) состояниях — самые легкие жидкость и кристалл, Энергия связи для молекулы Н, составляет 429 кДж моль-', межъядерное расстояние— 7,4.10 " м.

Для молекулярного иона водорода Нз энергия связи составляет 255 кДж моль-', межъядерное расстояние 1,06.10-м м. Энергия ионизации атома водорода равна 1312 кДж моль-', сродство к электрону 71 кДж.моль-' Молекулярный водород может существовать в шести изотопных модификациях: Нь НВ, Пм (УТ, НТ, Т,. Последние 3 молекулы нестабильны. Молекулярный водород, как и его изотопы тритий и дейтерий, в зависимости от относительной ориентации ядерных спииов атомов существует в двух модификациях: параводород (рНз), который имеет антипараллельную ориентацию ядерных спинов и четные ротационные кванговые числа и ортоаодород (оН$), имеющий параллельные ядерные спины и нечетные ротационные квантовые числа. Спонтанное превращение одной модификации в другую происходит настолько медленно, что зги модификации можно рассматрявать каи вещества, различающиеся термическими и другими физическими свойствами в широкой области параметров состояния.

Заметные различия. в свойствах этих газов наблюдаются при низких температурах (Т 200 К) и относительно невысоких давлениях (Р~ 1О МПа), В жидкой фазе о — р ко~версия Н, может происходить с заметной скоростью, особенно при наличии катализатора, и сопронождается выделением теплоты. Равновесный арто — вара состав водорода завп. сит от температуры. При относительно высоких температурах (7, 200 К) состав практически постоянен и составляет 75$1$ оН, и 25 $$3 рНь Водород такого состава называют нормальным водородом.

При температуре вблизи нормальной точки кипения Т=20,4 К равновесный состав соответствует 99,8 оуо рН$. Водород такого состава в литературе иногда называют равновесным (еНг). Фиэ$$ко-химические свойства водорода в газообразном и хгидком состояниях изучались довольно подробно в различных лабораториях мира, и в настоящее время существует ряд подробных обзоров, обобщающих эти исследования [3 — 8).

Некоторые физико-химические свойства водорода приведены в табл. 1.! 1.4. Как энергоноситель и топливо молекулярный водород обладает рядом уникальных характеристик: наивысшей теплотой сгорания на единицу массы (по низшей теплоте сгорания 1 т Нз эквивалентна в 13 Харвнтернстнка Теплшп конверсии от нормального состава до равновесного, Дп моль' Содержанне РН» (раппа»сонма сосгвп1, У, Тепло»а конверсии оН» и Рым Дж молл» Значение г. К 142 120 12,8 !0,8 4 — 75 10 20 30 40 50 !00 200 99,9999 99,821 97,021 88,727 77,054 38,620 25,974 1417,86 14!7,86 И!7,86 1417,78 1417,06 !295,56 440,45 1058,63 !055,91 !015,72 896,94 730,85 177,48 4,14 34,5 4 — 95 18 — 60 !5 — 90 310 2300 т, К р, Мпа р, мпа г, К р, мпа 850 0,018 28 ЗО 32 40 1,000 2,035 3,024 6,545 50 60 100 10,024 12,605 15,553 15,553 140 180 200 14,236 5,!64 0,055 0,06 Таблица 1.2.

Орто-пари состав водорода при равновесии Г а бл и ц а 1.3. Кривая инверсии !кривая Джоуля — Томсона) длп рН, Т а блица 1.5. Характеристики водорода как топлива Бьсшая удельная теплота сгорания, МДж кг Низшая удельная теплота сгорая »я, МД>к кг-х Высшая объемная теплота сгорания, МДж м Низшая объемная теплотз сгорания, МДж м Пределы воспламенения в воздухе, объемное содержание % Стехиолгетрн »еское отношение воздух †топли по массе (состав воздуха: 21 % Оз, 78 % )»)з, 1 % Аг) Пределы воспламенения в кислороде, объемное содержанис, % Днзпаэон детонации в воздухе, объемное содер>канис, % Диапазон детонации в а|слороде, объемное содержание, % Скорость распространения лзмииарвого пламени, см с Температура лнмипариого пламеин в воздухе при стехиометрп|еском составе смеси, К Температура самовоспламенения стехиометрической смеси в воздухе, К Минимальная энергии, ииицнирующая воспламенение в стехиометри геской смеси в воздухе при нормзльпых условиях, мД»к Минимальное расстояние гашения пламени, см Твердое тело кндпость дглдность-гпз Теплота попа ре н~ж аггнси.

нДж кг' Теплота пппвпеннп а~па' ндж»гг Р, Мйа Рж кг м' Р газ кг м- Р лМП» Рж' кг м» Таблица 1.4, Кривые фазовых равновесий рН, пересчете иа условное топливо 4,1 т, а 1 и' На* †,6 10 †' т), широким диапазоном воспламенения, высокой температурой сгорания. Скорость распространения ламинариого пламени для водорода в 10 раз выше, а минимальная энергия, необходимая длп индуцироваиия воспламене. иип в 16 раз л»еньше, чем для метаяа, Важным достоинством водорода как топлива является отсутствие в продуктах сгорания окиси углерода в радикалов СН,.

Некоторые характеристики водорода как топлива приведены в табл. !.5. Как химический реагент водород является активным восстановителем и в этом качестве широко используетсп в химин, металлургии, металлообработке и других отраслях народного хозяйства. Он активно взаимодействует с металлами и другими веществами, образуя широкий спектр гндрндов с разнообразнымн сзойстнамн. Взаимодействуя с конструкциоинымн материалами, аодород, в особенности при высоких давлениях и экстремальных температурах, легко днффундирует в объем многих металлов, вызывая водородную хрупкость материалов, Физико- химия взаимодействия водорода с металлами и исследования свойств систем водород — металл бурно развиваются в последнее время.

Подробный обзор этих исследований дан в коллективной монографии !7). » Здесь и далее объем водорода дается при иормальиых условиях. 21 42. Объем н структура потребпення водорода Развитие новых методов получения, хранения, транспорта и использования водорода в перспективе будет, естественно, определяться потребностью в нем тех илн иных отраслей народного хозяйства. Понятно, что в первую ощредь водород, производимый из воды, будет использоваться там, где мы сегодня используем водород, производимый из природных жидких и газообразных топлив. Рассмотрим в связи с этим структуру потребления водорода н ее возможные изменения в перспективе. В наст я настоящее время водород находит достаточно широкое применение в различных отраслях хозяйства: 1) в химической цромышленности в процессах произ.

водства аммиака, метанола, альдегидов и кетонов, синтов, соляной кислоты, нафталина, полиэтиленовых и пропиленовых пленок высокой прочности; 2) ) в нефтехимической промышленности в процессах гидроочисткн, гидрокрекинга н каталитического рифор. минга, а также в процессах нефтехимического синтеза; 3)вм ) в металлургии в процессах прямого восстановления металлов; 4) ) в пищевой промышленности в процессах гидрогении и зации пищевых органических гки!ров для производства нищ и в процессах гидрогенизацни непищевых жиров для производства кормов и мыла; 5) в металлообрабатывающей промышленности для создания водородно-азотной восстановительной атмосферы .

в процессах обработки металлов; 6) ) в процессах приготовления и обработки стекла и кварца для создания восстановительной атмосферы н в качестве горючего в водородно-кислородных горелках; 7) в фармацевтической промышленности при производстве многих препаратов; 8) ) в электротехнике в качестве теплоносителя для охлаждения мощных электрогенераторов; 9) в энерготехнологии при производстве синтетических газообразных и жидких топлив из угля; 10 ) в ракетной технике в качестве топлива (жидкий водород); 11) в малой автономной энергетике (в топливных эле. ментах); 12) ) в плазмохимии как топливо в водородно-кислородных горелках и для создания восстановительной водородно-азотной атмосферы.