1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (811219), страница 28
Текст из файла (страница 28)
При этом в расчетах учтены потери на необратимость при проведении химических реакций, но не учитывалпсь потери энергии в окружающую среду от теплообменников, трубопроводов и т. д. Детальный анализ технико-зкономических показателей термохимическпх циклов цинк селснозой г! у!»»зьз, жслезохлорного процесса, комбинированных циклов Марк-11, Марк-13 и некоторых других процессов выполнен в [58, 73, 79]. В этих работах проанализированы также схемы установок, потоки веществ н энергии, потери энергии вслед- 139 .х с.з .с 0,0 В,б а) В,ВВ,В Б ~ГВ в Рис.
4.23. Технико-акоиомичеспие показатели цикла Марк-1! 173]; а — в заннсямостн от напряжения на ячейке электралнзера: 1 — 1Оз прапесса; а — стоимость водорода; 6 — стоимость водоропа в зависимости от стоимости первнчноа энер- гии сз б гбб ц ° 'з'кВт ч 07У 0 Вб 0 Вг цент '- б) ' Стель 140 ствие необратимости процессов и т. д. В результате этих расчетов определены эффективность процесса разложения воДы т1= 50',дз/Я, гДе ЛО',оз — высшаЯ теплота сгоРания 1 моля водорода в кислороде, цб — теплота энергоисточпика, затраченная на разложение 1 моля воды в цикле. В табл.
4.4 приведены также значения КПД процесса преобразования энергии ядерного источника в химическую энергию водорода, рассчитанные по низшей теплоте сгорания — так, как это делалось ранее при анализе про. цессов электролиза. Следует подчеркнуть, что в комбинированных термоэлектрохимических циклах КПД преобразования энергии и затраты на получение водорода существенным образом определяются эффективносгшо работы электролнзера, осуществляющего электрохимическую стадию процесса, в частности для процесса Марк-11 при изменении напряжения ячейки электролизера от 0,8 до 0,62 В эффективность процесса возрастает от 37 до 41,4 о7о, а затраты на водород снижаются на 12 % [58). На рис.
4.23 приведены зависимости 'КПД преобразования энергии и затрат на получение водорода в циклах Марк-11 и Марк-13 от напряжения электрохимической ячейки и стоимости энергии ВТЯР по данным [73). При прочих равных условиях (одинаковая максимальная температура процесса, одинаковые характеристики энерго- источника, одинаковая — производительность ус- 10 0 '44 тановок и т. д.) конку- рентоспособность термо- «В — химических и комбиниб 7 рованных циклов с про- ВВ цессами электролиза вол и ды для производства г товарного водорода будет определяться сравнением капитальных затрат на «энергохимиче- скую часть установки и КГ1Д процесса преобразования энергии. При использовании ВТЯР в качестве энергоисточника для низкотемпературного электролиза значение КПД преобразования энергии по имеющимся оценкам не превосходит 25 — 30огю а для высокотемпературного электролиза оно может достигать 35 — 40о7о.
Капитальные затраты на энергохимическую часть установки для термохимических и комбинированных циклов больше, чем для процессов электролиза, они составляют более 1000 долл. на 1 м'ч ' Не [77, 791. Это связано в первую очередь с тем, что из-за малой молекулярной массы водорода даже при хорошей кинетике процессов и минимальной рецнркуляции реагентов в реакциях в большинстве циклов участвуют большие массы реагентов — до нескольких сотен тонн на 1 т получаемого водорода [79]. Потоки массы реагентов в теплообменннках, реакторах, абсорберах и других аппаратах установки оказываз ются весьма велики, что приводит к большим масштабам установок, большим капитальным затратам и увеличению затрат энергии на собственные нужды установки при возрастании масс реагентов. Таким образом, конкурентоспособными для производства товарного водорода в буду.
щем, по-видимому, смогут оказаться только те термохимические и комбинированные циклы, для которых КПД преобразования энергии не ниже, чем для электролиза, т. е. составляет не менее 30 — 35 5р. Кроме того, можно ожидать, что при прочих равных условиях те циклы, в которых используются более легкие реагеиты (например, гидрпднолитпевый, метан-метанольный, сернокислотный Марк-11), смогут быть реализованы с меньшими капитальными затратами, чем циклы, в которых в качестве реагентов используются вещества с большими молекулярными массами.
В настоящее время во многих лабораториях созданы и создаются пилотные установки различной производительности для реализации термохимических и комбинированных циклов разложения воды. Опыт эксплуатации этих установок позволит сделать более определейные заключения о технико-экономических показателях таких процессов. Прн реализации разомкнутых термохимических и комбинированных циклов затраты иа получение товарного водорода могут оказаться более низкими, так как в таких циклах кроме водорода получаются и другие, во многих случаях более дорогостоящие, чем водород, продукты, Глава пятая Другие методы полунения водорода из воды 5Л.
' Плазмохимичесиие методы получения водорода В последние годы советскими специалистами предложены и активно разрабатываются плазмохимнческие методы получения водорода и других энергоносителей в неравновесных ВЧ-и СВЧ-разрядах [82 — 96]. Эти процессы реализуются в неравновесной слабоионизированной плазме. Высокие скорости потоков реагентов, большие объемные плотности энергии и большие скорости протекания реакций, характерные для таких систем, позволяют добиться высокой производительности агрегатов при их сравнительно небольших объемах, металлоемкости и простоте технологического цикла. Важная особенность химических процессов в неравновесной плазме заключается в том, что энерговклад разряда сосредоточивается на выделенных степенях свободы молекул н путях реакций.
При этом разогрев газа в целом обычно незначителен, следовательно, малы тепловые потери и потери, связанные с обратными реакпнями. Разумеется, тот факт, что, например, разложение воды в неравновесной плазме достигается путем возбуждения главным образом колебательных степеней свободы молекул воды при относительно низкой температуре газа в целом, не означает, что затраты энергии на осуществление этого процесса будут меньше, чем разность энергий Гиббса Лб исходных реагентов и продуктов реакции.
Просто в таких процессах удается минимизировать неизбежные потери энергии н достичь высоких КПД, затраты же энергии в целом в реальных процессах, естественно, превосходят Лсх. Высокая энергетическая эффективность плазмохимических методов (до 80 % ) прн сравнительно низкой температуре газа вполне естественна с термодинамической точки зрения, поскольку в этом случае энергия к системе подводится в форме работы. Оптимальными по производительности и минимуму потерь оказываются плазмохимнческие пропессы, реализующиеся в неравновесной слабоионизированной плазме повышенного давления через колебательно-возбужденные состояния реагентов. Для осуществления этих процессов в реакторе необходимо поддерживать определенную степень ионизация (для обеспечения необходимой неравно- 14» весности) и определенные значения температуры электронов Т, зьТе, где Т, — температура газа.
Для реакции разложения СОг и получения СО этн условия сравнительно легко выполнимы, для реакции же разложения воды они оказываются весьма жесткими. Поэтому наряду с процессами прямого разложения воды в настоящее время активно разрабатываются комбинированные одностадийные или двухстадийные плазмохимические методы получения водорода из воды с предварительным получением СО.
Они могут быть реализованы как в гомогенных (СОг, смеси СОг — НгО и СΠ— Ог — НгО), так и в гетерогенных системах (при газификации угля под воздействием не- равновесно возбужденного углекислого газа или водяного пара). Наиболее изученным из них является процесс, описываемый совокупностью плазмохимической реакции СО,-СО+' — 'О, и термохимической реакции СО+НгΠ— ьСОг+Нг.
Разложение воды н получение водорода в неравновесной плазме Этот процесс реализуется в результате нескольких элементарных реакций. Высокий 'КПД разложения может быть достигнут в системах, где температура электронов недостаточна для интенсивного возбуждения электронных со. стояний и основной энерговклад разряда сосредоточивается на возбуждении колебательных степеней свободы молекул воды и на диссоциативном прилипании электронов к молекулам воды [84, 90, 96].
Относительный вклад этих двух процессов становится одинаковым при температуре электронов' Т,:=~ а, 1и ' [(К'" /Йсе) (а, ае)], (5.1) где а,жб э — энергия„соответствующая резонансному максимуму сечения диссоциативного прилипания; =10-е см'с — ' — соответствующая этой энергии константа скорости процесса; Й,„ — константа скорости колебательного возбуждения молекул воды, которая при Т,= 1 †: 3 эВ составляет около 10 ' см'с †', йсо = 0,2 э — характерный ' Здесь н всюду далее в этом параграфе температура дается в энергетнчаскнх единицах, а концептрацня компонент — а числах частнц а ! см' н обозначается квадратными скобками (конценграцня электронов обозначается л,). 143 колебатезьный квант молекулы воды.
При этих значениях параметров Т,-1,7 эВ, т. е. можно считать, что основной энерговклад разряда сосредоточен в возбуждении колебательных степеней свободы молекул воды. Разложение осуществляется в последова гельных стадиях колебательного возбуждения молекул воды, заселения высоковозбужденпых состояний в процессе колебательной релаксации и, наконец, реакций с участием возбужденных (обозначаются звездочкой) молекул воды. Инициирование реакции происходит в бимолекулярном Ькте Н»0*+ НгО-~-Н+ОН+ НгО, (6,2) который характеризуется скоростью п,=й,(Н,О]'ехр ~ — ( * ) )-, (5.3) т. где яг 3.10-ю см'с-' — константа столкновений; 0(Н»О) =5 э — энергия диссоциацип молекулы воды; ҄— колебательная температура молекул воды.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
