Диссертация (Исследование тепловых процессов в системах твердофазного аккумулирования и очистки водорода), страница 8

Результаты экспериментальных исследований по влиянию интенсификациитеплообмена на скорость разрядки металлогидридного аппарата [124].Некоторые исследователи используют конструкции блочного [125] иячеистого [126] металлогидридного устройства. Особенностью таких устройствявляется разделение на металлогидридные блоки или ячейки различнойконфигурации,торцевыеповерхностикоторыхпредставляютвысокотеплопроводные интенсивно охлаждаемые/нагреваемые поверхности.Для повышения теплопроводности засыпки в блочных устройствахиспользуют также спекание водородопоглощающего порошка с медью [127].Как показывают эксперименты (рис.9) эффективная теплопроводностьспеченных пористых блоков даже в отсутствии меди существенно выше, чем унасыпных порошков, а с увеличением доли меди в блоках их теплопроводностьвозрастает более чем на порядок. Однако это приводит к снижению весовойемкости материала по водороду, возникают вопросы по обеспечению циклическойпрочности блоков и заметно ухудшается проницаемость блоков для водорода.55Последнее предлагается преодолеть путем уменьшения толщины композитныхблоков.9Рис.9 .

Теплопроводность образцов поглощающего материала:A–водородопоглощающий материал в насыпном виде, B–спеченный без медиводородопоглощающий материал, C–30 % меди, D–50 % меди.Другойтипметаллогидридныхустройствхраненияводородапредусматривает использование композитных лент из водородопоглощающегоматериала [128]. Используемый в таких устройствах композит имеет большуютеплопроводность, чем порошок металлогидрида, кроме того, пропуская ток черезполоски можно добиться десорбции водорода.

На рис. 10 представлена концепцияреактора, основанная на описанной технологии. Реактор состоит из внешней трубы23 и внутренней 25, между которыми помещен гофрированный рукав 27,образующий каналы 29 для тока теплоносителя, подаваемого по трубке 31.Полоски 1 помещаются внутрь трубы 25, водород подается по трубе 33.5610Рис.

10. Концепция реактора на основе композитных лент [128].В работе [131] рассмотрен металлогидридный реактор с пластинчаторебернымохлаждением(Рис.11)сзагрузкой10кгсплаваLa0.90Ce0.05Nd0.04Pr0.01Ni4.63Sn0.32, водородной емкостью 1120 норм. л. Цельюисследований было определение возможности зарядки с постоянной скоростью.При ограничении скорости зарядки 125 норм.л/ч (2,1 норм.л/мин) средняя скоростьзарядки составила 75 норм.л/ч при абсорбции (65°С) и 125 норм.л/ч при десорбции(85°С). Результаты зарядки для расхода 6000 норм.л/ч представлены на рисунке 12.При этом расходе водорода зарядка происходит с отчетливо выраженным кризисомтепломассообмена, происходящим в момент достижения максимального давленияв реакторе.

Всего за 20 мин в реактор удалось зарядить 100 г водорода, такимобразом, в пересчете на 1 кг сплава скорость зарядки в бескризисном режимесоставляет 10 норм.л/мин, а средняя скорость – 5,6 норм.л/мин.5711Рис. 11 - Общий вид металлогидридного реактора с пластинчато-реберным теплообменником[131].12Рис. 12 - Результаты зарядки металлогидридного реактора с пластинчато-ребернымтеплообменником [131] при ограничении расхода водорода в 6000 норм.л/ч (100 норм.л/мин)В работе [132] представлен металлогидридный реактор для питанияводородом топливного элемента с загрузкой 12 кг сплава La0.85Ce0.15Ni5.Конструкция и фото приведены на рисунке 13. Емкость реактора составляет 1560норм.л, предполагается, что скорость разрядки составит порядка 13 норм.л/мин.5813Рис.

13 - Металлогидридный реактор для питания топливного элемента [132].1 – стальной контейнер; 2 – теплообменник; 3 – подвод водорода; 3.1 – фильтр; 3.2 - клапан;3.3 – предохранительное устройства (разрывная мембрана); 4 – водяной штуцер; 4.1 – входводы; 4.2 – выход водыВ работе [73] исследован металлогидридный реактор в виде баллона,заполненногометаллогидридом(850гLa0.83Ce0.10Pr0.04Nd0.03Ni4.4Al0.60)иохлаждаемого снаружи жидкостью. Максимальная водородная емкость реакторасоставила 130 норм.л, около 80% (104 норм.л) удалось разрядить с постояннымрасходом 1.9 норм.л/мин кг H2.Коллектив авторов из Китая [133] предлагает конструкцию реактора, вкотором для улучшения характеристик теплопередачи использовались медныетрубки диаметром 0,67 мм в количестве 81 шт. Реактор заполнен сплавом вколичестве 400 гр.

LaNi5. За счет равномерного распределения мини-каналоввнутри прямоугольной оболочки реактора повышение теплопередачи реализуетсяв замкнутом пространстве с помощью высокой удельной поверхности.59Аналитические и экспериментальные исследования авторов показывают, чтотолщина засыпки реактора с мини-каналами не оказывает большого влияния напроизводительность реактора. Реактор показал более высокую скорость реакции(как при адсорбции, так и при десорбции) по сравнению с обычными трубчатымиреакторами или дисковыми реакторами при тех же условиях эксплуатации.

Вданной работе авторами удалось добиться скорости зарядки в 4 г водорода за 700 с(44,8 норм. л).1.6. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ГАЗАВнашейстранеуделяетсягромадноезначениеразвитиюновыхэнергоэффективных технологий. Энергетическая стратегия РФ на период до 2030 г.[134] предусматривает развитие энергетики, основанной на возобновляемыхисточниках энергии (ВИЭ), в том числе виде биоэнергетических установок,мусоросжигающих и мусороперерабатывающих энергокомплексов в крупныхгородах. Целевым ориентиром на период до 2030 г. является увеличениеотносительного объема производства и потребления электрической энергии сиспользованием возобновляемых источников энергии (кроме гидроэлектростанцийустановленной мощностью более 25 МВт) примерно с 0,5 до 4,5 процента.Большую часть водорода получают из полезных ископаемых, в основном изприродного газа и угля.

При этом весь получаемый СО2 выпускается в атмосферу.Каталитический паровой риформинг нафты или природного газа является самымдешевым и энергоэффективным (КПД до 83%) способом получения водорода внастоящее время, за ним следуют частичное окисление метана (КПД 70–80%),60автотермический реформинг (КПД 71–74%) газификация угля (КПД 63%) иэлектролиз воды на АЭС (КПД 45–55%) [135]. Стоимость водорода, получаемогоиз природного газа, в настоящее время составляет 0,3…1,83 долл. США (2007)/кг,и для угля 2,48…3,17 долл. США (2007)/кг, а альтернативные методы существеннодороже и пока не являются экономически эффективными при масштабномпроизводстве [136].

Но все эти методы не всегда экологически безопасны, и длясоздания чистой энергетики на их основе необходимы методы декарбонизации ихранения получаемого в процессе углекислого газа [137].В 2000-х годах началось интенсивное изучение возможности полученияводорода биологическим путем [138–141].Биологические процессы получения водорода могут быть экологическибезопасными, так как биопроцессы катализируются микроорганизмами в воднойсреде при температуре и давлении окружающей среды. Водород из биологическихисточников является универсальным энергоносителем с потенциалом широкогоиспользования в получении электричества и для многих других применений [142].Более того, эти методики хорошо подходят для децентрализованного полученияэнергии в регионах, где доступна биомасса или отходы, что позволяет избежатьэнергопотерь и затрат на транспортировку.

Другим важным свойствомбиологического получения водорода является способность концентрироватьводородизрастворенныхвводеорганическихсубстратов,такихкакпромышленные сточные воды [143].Способы получения водорода из биомассы можно разделить на две основныекатегории: термохимические и биологические.61Для получения водорода биомассу можно термически обработать пиролизом[144] или газификацией. [145] Главным недостатком этих процессов являетсяобразование древесного угля и смол.Термин «биоводород» определяется как не ископаемый, полученный избиологических источников продукт распада органических веществ, являющийсяплодом жизнедеятельности растений, животных и микроорганизмов.

Важноедостоинство этого процесса — возможность получать энергию из растворенных вводе органических субстратов, таких как промышленные, сельскохозяйственные ибытовые сточные воды [146, 147]. Наиболее перспективными в качестве сырья,например, для процессов брожения, являются пищевые отходы, продуктыпереработки зерновых культур, отходы животноводства [148].

Таким образом,биоводород является наиболее экологически безопасным энергоносителем,связанным с естественными процессами в биосфере Земли.Генерируемый в биологических системах водород содержит большоеколичество примесей, общее содержание водорода в производимом газе непревышает 50%, а на практике составляет не более 20…40%. Помимо углекислогогаза в продуктах реакции сбраживания сахаров, крахмала или целлюлозыанаэробными микроорганизмами присутствуют и другие примеси, такие как метан,сероводород, аммиак, угарный газ [149, 150].Например, пилотный биореактор объемом 1,48 м3, успешно работавший втечение 200 дней, производил до 5,57 м3 H2/м3 в день, при этом биогаз содержал от40% до 52% водорода [151]. Такой водород не может быть использован, например,в твердополимерных топливных элементах и даже может привести к их62разрушению [152], таким образом, развитие систем возобновляемого производстваводорода требует сопутствующего развития и интеграции систем хранения иочистки водорода [153].В настоящее время в промышленности широко применяются четыреосновных метода разделения смесей водорода с прочими газами, базирующихся наабсорбции (как физической, так и химической), адсорбции, мембранном икриогенном разделении.