1598005413-fed7095c5cc635c55b82ef4e37ea2648 (811209), страница 28
Текст из файла (страница 28)
Глава третья ЗЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЕГОПРИМЕНЕНИЯ В ЭНЕРГЕТИКЕ 3.1.сВОЙстВА, ПОлучение и пРименение ВОЛОРОдА 3.1.1. Основные понятия о водородной энергетика Около! лет назад началось формирование нового направления в те хвя ке, получившее название "водородная энергетика". Появлэнх и становление водородной энергетики вызвано в первую очередь энергетическими (угрозой истощения запасов нефти природного газа) и экологическими причинами. В водородной энергетике водород рассматривается не толь как химический реагент, но и как энергоноситель или — как г иногда называют — энергетический вектор. Водородная эне Рте тика охЬатывает получение, хранение, транспорт и использо ние водорода. Причин, по которым именно водород имеет перспек тая широкого использования как энергоносителя, несколько: это один из наиболее распространенных элементов на 3еи ' его массовая доля составляет около 1%, атомная доля— 11 ~ он может быть получен из воды, запасы которой неогранивег 150 епри сгорании водорода образуется вода, которая возвращен ~Ф ( ете л в кругооборот); он „не токсичен, при его сгорании образуется меньше вредяьле компонентов, чем при сгорании природного органического „,ллива; н имеет по сравнению с другими видами топлив наиболее еыс сокую теплоту сгорания на единицу массы (120 МДж/кг); водород и некоторые недефицитные вещества (диоксид )'Г~ лерода, азот, уголь) являются сырьем для получения ценных „,ических веществ (например, аммиака) и синтетических , олив и энергоносителей (например, метанола); водород и получаемые на его основе виды топлива можно лрлменЯть в автомобилЯх и самолетах пР15 незначительньтХ леределках их двигателей; водород, как и природный газ, можно транспортировать по тем же трубопроводам и хранить в таких же подземных емкостях; имеется опыт широкого применения водорода в химии и нефтехимии, а также, в меньшей мере — в металлургии, энергетике, пищевой промышленности, электронной технике; с помощью водорода можно аккумулировать энергию, выра5атываемую электростанциями, в том числе атомными, в ночные часы и в выходные дни, а также энергию возобновляемых лсточников (солнца, ветра).
3.1.2. Физические и химические свойства водорода. Водород лри обычных условиях - газ без цвета и запаха, имеет нормальную точку кипения 20, 27 К, критическую точку 33,22 К при давлении 1,29 МПа, тройную точку (Т ) 13, 95 К при давлении 7 397 кПа. Евекость газа'при нормальных условиях равна 8,24х10ь Па с, тепло- ~ воднос 1ъ - 1,2 Вт/(м ° К) ', теплоеьекости Ср = 24,2 Дж(моль К) ', бр=15,95Дж(моль ° К)-". Водород обладает наибольшей скоерстью диффузии и наиболее высокой теплопроводностью среди "язов, поэтому применяется как охлаждающий агент.
Охлажде"ве нагретого предмета водородом происходит в 7 раз быстрее, Мм воздухом. Как видно из табл.3.1, удельная массовая лота сгорания у ярдорода выше в 2,4 раза, а объемная — ниже в 3,3 раза, чем у четана. Температура кипения у водорода на 86,7 К ниже, чем у меВо '"а Водород более пожароопасен и взрывоопасен чем метан. ! ря елее подробно физические свойства водорода рассмотрены в Ле книг и обзоров (14; 461. 151 Таблица 3.1. Характеристики водорода н метана ХарактеРистика Н2 СН4 20,3 Температура кипения, К Плотность в состояниях: газообразном", г/мз лндком, кг/мз Ннэшая удельная теплота сгорания (прн 298 К н 101,3 кПа)г Мдд/кг Мдл/ Отношение к массе условного топлэгва~г массы топлива, кг/кг объема топлива, мэ/кг Пределы воспламенения в воздухе (объемные доли), % Днапазон детонацнн в воздухе (объемные доли), % Днапззон детонации в кислороде (объемные доли), % Минимальная энергня возгорания, МДк Стехнометрнческое соотношение воздуха н топлива: мз/мэ кг/кг Низшая теплота сгорания стехнометрнческод смеси, МДд/кг 107 89,3 71 б70 415 50,2 35,8 120,9 10,8 0,242 2,71 10,1-71,4 0,584 0,82 15,4-53,2 18-40 б,3-13,5 15-90 0,02 0,29 2,38 27,7 3„02 9,52 14,2 3,28 "Здесь н далее объем газа дается прн нормальных условиях без добаелення буквы "н".
""Условное топливо имеет низшую теплоту сгорания 29,31 МДл/кг, Химические свойства водорода хорошо изучены. Он являетсз восстановителем. Однако при обычных температурах с кисло родом и хлором практически не реагирует, что обусловлено высокой энергией активации, необходимой для разрушен"9 прочной химической связи в молекулах этих реагентов. )(з поверхности катализаторов процесс резко ускоряется, напряг' у на поверхности платиновой черни реакция идет со взрывож Процесс ускоряется при повышении давления и температурь" При температурах 500'С и выше водород реагирует с кислородов и без катализатора. Особая осторожность должна соблюдат~ при обращении с водородными баллонами. Вырвавшись бе „справного баллона сильной струей, водород может загореть- „и превратить незакрепленный баллон в реактивный снаряд.
Водород при нагревании восстанавливает оксиды многих „галлов, поэтому используется для получения металлов. бодоРод легко пРисоединЯетсЯ к атомам УглеРода с кРатной язью, поэтому применяется для.гидрогенизации жиров и „епредельных углеводородов. Водород со многими металлами образует твердые растворы и мические соединения, включая солеподобные гидриды. В гндридах щелочных и щелочноземельных металлов водород находится в виде иона Н . Водород, особенно при высоких давлениях и температурах, проникает в некоторые металлы и сплавы, в том числе в стали, вызывая водородную хрупкость.
5,1.3. Методы получения водорода. Водород может быть получен различными методами из воды, углеводородов, спиртов, сероводорода, аммиака и других водосодержащих соединений, Подробное ра смотрение всех методов получения водорода выходит за пределы данной книги. Кратко остановимся лишь на тех, которые имеют промышленное применение или перспективу применения: паровая и парокислородная конверсия природного газа и углеводородов нефти; газификация угля; электролиз воды и водяного пара; термохимическое и термоэлектрохимическое разложение воды; плазмохимическое разложение воды и сероводорода. Метод паровой и парокислородной конверсии природного газа и углеводородов нефти и газификация угля были расмотре"ы в 9 2.7.
Настоящая глава в основном посвящена электролизу воды, Термохимическое разложение воды происходит с использоЗаянем термахиМиЧеских ЦИКЛОВ. ЦиКлЫ СОстОЯт из нЕСКОлькнх химических стадий, протекающих с использованием реа"ентов, которые затем регенерируются и возвращаются в цикл. В "зчестве примера приведем реакции цикла ЯМарк-1б": 2 Н20 + 12 + 302 " Н2304 + 2Н1 300К Н2о04 Н20 + 502 ь 1/202, 2Н1 Н2 + 22.
1000К 850К 153 Проведенные в СССР исследования и технико-экономичес. кие оценки показали, что приведенные затраты на водород получаемый термохимическими методами, в 1,5-2 раза выше чем на электролизный водород. Кроме того, термохимические циклы, как правило, многоступенчаты, а установки сложны э эксплуатации, поэтому термохимичские методы не име, преимуществ перед электролизом воды (14]. Более простыми и эффективными являются комбинировав. ные термохимические и электрохимические методы, включэ, щие одну или несколько электрохимических реакций (14, 19, 20, 35].
В качестве примера приведем цикл фирмы Вестингауз» состоящий из двух стадий: высокотемпературной (1000-1100 К) химической Нт504 Нзо + Воз + 1/гоь низкотемпературной (350 К) электрохимической гнзо + Вот Нз + Н;804. В ряде лабораторий проводятся исследования электрохими. ческого получения водорода и серной кислоты (14; 35, т. 1, с. 85, т. 11, с. 10 и 305], которые могут найти применение и в другах процесах, например при очистке вредных выбросов от Воз.
Расчетные затраты на получение водорода (14] соизмеримы с затратами на получение водорода в традиционных электроле. зерах и в 1,5-2 раза выше затрат на получение водорода в перо пективных электролизерах. Плазмохимический метод получения водорода предложев советскими учеными [14; 130]. В качестве примера приведем двухстадийный процесс, включающий плазмохимическув реакцию Сот СО + 1/гот и термохимическую реакцию СО + Нзо Сот + Нт.
Способ позволяет получать водород из нетрадиционных х но точников, например сероводорода Нтб: Н,З- НЯ+Н, НЗ - Н+В. способ позволяет получать не только водород, но и серу. уровень разработки плазмохимического метода пока не позляет дать надежную технико-экономическую оценку получе„яя водорода, однако прогнозные оценки указывают на перссективность метода. Кроме того, в настоящее время разрабатываются методы 0отокаталитического, фотоэлектрохимического и биокаталитического разложения и радиолиза воды. В связи с недостаточным 7свнем их разработки в данной книге они не рассматриваются. подробное рассмотрение различных методов получения водосда выполнено в (14].
3.1.4. Основные области применения водорода. В настоящее время водород в основном используется в химической и нефтеовеической отраслях промышленности (93-95%). Наибольшее количество водорода используется для производства аммиака со реакции Хт + Знз = газ. На 1 т аммиака теоретически требуется 176,5 кг (1976,5 мз), реально-1980-2220 мз водорода. Годовой расход водорода на производство аммиака в 1980 г. составил в СССР— 4,1, в США— 4,6 млн. т (14]. Водород потребляется при получении метанола: СО + гН, = СНзОН, Сот + Знт = СНзОН. На 1 т метанола теоретически необходимы, соответственно, 117,6 кг (1317 мз) и 176,5 кг (1976,5 мз), а реально расходуется !620 — 2300 мз водорода.
Годовой расход водорода на получение метанола в 1980 г, составил в СССР— 0,43, в США — 0,9 млн. т (14]. В нефтехимической промышленности водород потребляется 'следующих производствах: для гидроочистки (110 мз/мз нефти), например по реакции ЙВ + гнт НзЗ + Кнз, гидрокрекинга (350-450 мз/м з нефти), например по реакции Стэнт,„+ гнт гсэн,„+т,' каталитического риформинга; нефтехимического синтеза; получения синтетического топлива и других целей. В 1980 г. для нефтепереработки и гидрокрекинга расходов лось водорода в США — 2,1, в СССР— 0,97 млн. т, для получения синтетического топлива в США — 22 мли. т (14]. Водород также применяется в пищевой промышленности основном для гидрогенизации жиров, в фармацевтике длн получения лекарств, в металлургии для получения металлов металлообработке для создания восстановительной атмосфер в электронной технике, в энергетике и т.д.
В энергетике водород используется для охлаждения мощньс, турбогенераторов, благодаря его высоким теплопроводности и коэффициенту диффузии, а также нетоксичности (80]. Для этой цели необходим водород чистотой 98-99%. Расход водороде, например, на ТЭС мощностью 2600 МВт составляет 14 мз/ч, илн 5,4 ° 10 ~м~/(МВт ч) (86, с, 215-225]. При уменьшении мощности турбогенераторов удельный расход водорода растет. Потребление и соответственно производство водорода посто. янно возрастают, так с 1970 по 1980 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
