1598005503-634bb8193a0a063d19abf81fb6d27ecd (811219), страница 35
Текст из файла (страница 35)
США .ГДы'Я )руб. т. я) Обеем переливвемога водороде, м' год' Удельная стои- мость транспорта, коп (е км)' Передиииемия мошно се ь, е год" к Расстояние, км ) и тв и й„о,в 2,52 1,06 (20,19) 0,48 — 0,6! (9,13 — 11,61) 0,77 (14,66) 0,42 (8,00) 1,04 104 0,49 104 3,9 100 3,9 10в 2,9.!О' 1,35 10и .10,8 10в 10,8.10в 9,1 — 11,6 100 91 !6 Вяб 0,0 " По ценим )020 Р. трубопроводного транспорта составляет 14 МПа.
Однако в связи с отмеченными выше особенностями взаимодействия водорода с материалом трубопровода в не очень отдаленной перспективе представляется более рациональным создание систем крупномасштабного трубопроводного транспорта водорода под давлением не выше 7 — 7,5 МПа. При этом, конечно, диаметры труб, тип компрессоров и число перекачивающих станций для каждого конкретного случая должны быть оптимизированы. Т а б л и ц а 6.1. Стоимость трубопронодиого транспорта газообразного нодброда (в пересчете на условное топливо) Мощность компрессора в расчете на единицу передаваемой энергии для водорода должна быть примерно в 3 раза больше, чем для природного газа.
Стоимость таких компрессоров в расчете иа единицу передаваемой мощности для водорода оказывается на 20 — 30% выше, чем для природного газа. В табл. 6.1 приведены оценки стоимости трубопроводного транспорта водорода на различные рас. стояния под давлением 7 МПа по данным (106). Эти оценки в 1,5 — 2,5 раза превосходят стоимость такого же транспорта природного газа.
Для еше больших расстояний (более 1000 км) удель-. ная стоимость крупномасштабного трубопроводного транспорта газообразных энергоносителей в расчете на 1 км практически перестает зависеть от расстояния и определяется при оптимизированном диаметре трубопровода годовым объемом передаваемого газа, Зависимость удельной стоимости дальнего магистрального транспорта газообразного водорода при начальном давлении 7,5 МПа от 170 объема передаваемого газа приведена (по оценкам отече. ствснных работ) на рис. 6.4, Предполагалось, что для транспорта водорода применяется оборудование того же типа, что и для транспорта природного газа, а шаг компрессии составляет около 100 км, Как видно из рис 6.4, затраты на дальний магистральный транспорт водорода при больших передаваемых объемах водорода больше, чем аналогичные затраты на передачу природного газа на 30 — 50%.
На рис. 6.4 указаны также опти- В В 10 13 19 1В мля.т гад-1 Рис. 6.4. Удельные приведенные затраты (и пересчете иа услапиое топливо) иа магистральный трубопроводный транспорт газообразного водорода и природного газа: Опеимильиые дииматры трубопроводов, мм: )-яО; 2 7204 а 020: 4-1020; б-!2ЗЬ и†!440: — — — водарол; — — — — приРодный гив мальные значения диаметра трубопровода для водорода и природного газа в зависимости от передаваемого объема газа. Стоимость распределения газообразного водорода крупным потребителям по локальным отводам от магистрали при длине отводов более 100 км и диаметрах отводящих труб от 220 до 430 мм составляет (в пересчете на условное топливо) от 2 до 7 коп (т км)-' в зависимости от расхода газа, диаметра трубопровода, шага компрессии и других параметров, Для средних потребителей при объемах потребления в несколько тысяч тонн в год 171 (в пересчете на условное топливо) стоимость распределения по локальным отводам возрастает и превышает стоимость распределения природного газа на единицу передаваемой энергии в 2 — 2,5 раза в зависимости от расстояния.
Институтом технологии газа США выполнено подробное экспериментальное исследование возможности использования для распределения газообразного водорода многочисленным мелким потребителям существующих систем, созданных для распределения природного газа [108). Исследование показало, что при прочих равных условиях потери водорода из системы по объему в 3 — 3,5 раза превосходят потери природного газа, т.
е. потери энергии практически эквивалентны. Объемный расход водорода в 2,5 — 3 раза больше, чем природного газа, что позволяет передать при тех же условиях в водороде 80 — 90% энергии, передаваемой в природном газе, несмотря на то что объемная теплота сгорания водорода в 3 раза ниже, чем природного газа.
После б мес эксплуатации системы распределения на водороде каких-либо повреждений труб или других металлических частей не обнаружено. Пластиковые и резиновые материалы, использованные в системе, существенно не изменились, Специально была изучена возможность самовоспламенения водорода при просачивании его через течи, образовавшиеся в элементах системы, ио ни одного случая самовоспламенения зафиксиро. вано не было. Таким образом, использование существующих систем распределения природного газа для распределения водорода возможно и, по-видимому, не требует больших затрат на их переоборудование. Разумеется, эти предварительные результаты должны найти подтверждение при более длительных и детальных испытаниях.
Выше мы рассматривали транспорт и распределение газообразного водорода тем потребителям, которые используют водород при относительно невысоких давлениях. В то же время некоторые потребители используют водород высокой чистоты при высоких давлениях (в десятки мегапаскалей) в процессах гидрогенизации, гидроочистки, . регенерации катализаторов и т. д.
Затраты энергии и стоимость оборудования для сжатия водорода до таких давлений при условии сохранения его чистоты и относительно небольших масштабах потребления (до 1 т день †') приводят к большому удорожанию производств. Для таких потребителей оказываезся более эффективным применение комбинированной системы снабжения водородом 172 и распределения его, В этом случае доставка водорода потребител1о и его хранение у потребителя осуществляются в жидком виде в специальных цистернах.
По мере необходимости жидкий водород подается из цистерны насосом, газифицируется и поступает к потребителю. Такая система допускает длительное хранение водорода, позволяет сохранить его чистоту на уровне 99,998% н резко снизить затраты на сжатие водорода у потребителя. Конечно, в этом случае необходимо применять дорогостоящие легированные материалы, однако несмотря на это, а также на то, что ожижение водорода приводит к его удорожанию, применение такой системы хранения и распределения для указанных потребителей оказывается более выгодным, чем снабжение газообразным водородом при низком давлении с последующими операциями его очистки и сжатия.
Оборудование для таких систем хранения и распределения водорода разработано и создано в последнее время [109). 6.2. Ожижение водорода и его хранение, транспорт и распредепение при низких температурам В настоящее время в мире производится относительно небольшое количество жидкого водорода. В 1975 г. в США общая производительность заводов-ожижителеи составляла около 90 тыс, т жидкого водорода в год. В 198! г. в США было произведено 243 тыс. т товарного водорода [!! О[, из которых более половины — жидкий водород. В перспективе ожидается существенное возрастание производства и потребления жидкого водорода как в связи с развитием современных его потребителей, так н в связи с возможным широким использованием жидкого водорода как топлива, прежде всего в авиации Техника ожижения водорода хорошо освоена промышленностью.
Процесс ожижения водорода имеет некоторые особенности, определяемые его физико-химическими свойствами. Газообразный водород, получаемый в тех илн иных процессах, может содержать различные газообразные примеси, которые (за исключением гелия) при температуре нормальной точки кипения водорода существуют в твердой фазе. Наличие этих примесей может нарушить работу различных систем ожижителя, Наличие частиц твердого кислорода в жидком водороде недопустимо и по соображениям безопасности. Г!оэтому во всех схемах ожижения водорода предусмотрена его очистка до содержания примесей менее 1 части на миллион, В современных 173 технологических схемах очистка осуществляется в аосорбционных процессах с растворением примесей в охлажденных жидких углеводородах или путем низкотемпературной адсорбции примесей твердыми адсорбентами, например силикагелем.
В случае ожижения водорода, полученного электролизом воды, система для его очистки оказывается значительно менее сложной и дорогой, чем для водорода, полученного другими методами. Работа, необходимая для охлаждения хладагента в обратном цикле Карно, резко возрастает с понижением необходимой температуры. Из-за низкой температуры нормального кипения водорода теоретическая работа, необходимая для ожижения водорода в обратном цикле Карно, в 43 раза больше, чем работа, необходимая для ожижения фреона-22 (Т=233 К), В связи с низкой температурой инверсии водорода (около 200 К) применение методов ожижения, основанных на дросселировании газа, для водорода возможно только при низких температурах (ниже 200 К). В связи с этими особенностями водорода в наиболее распространенных схемах его ожижения обычно предусматривается предварительное охлаждение газообразного водорода до температуры нормального кипения азота в специальных теплообменниках.
Наличие двух модификаций молекулярного водорода — ортоводорода оНа и параводорода рНт (см. 9 1.1) вносит дополнительные особенности в схемы ожижения. В жидкой фазе орто— пара конверсия водорода в отсутствие катализатора происходит со скоростью около 1а1а в час. Поэтому после ожпжения нормального водорода за счет выделения теплоты при конверсии за ! день испаряется около 18% жидкости, за неделю — около 50% . В присутствии катализаторов скорость конверсии существенно возрастает, Поэтому во избежание больших потерь жидкого водорода при длительном его хранении необходимо до подачи жидкого водорода в хранилище осуществить орто — пара-конверсию.
Обычно в процессе ожижения осуществляется орто — пара-конверсия водорода до состава с содержанием 95% РНт или выше вплоть до равновесного состава, соответствующего точке кипения водорода (99,8% рНт), но в некоторых специальных случаях ограничиваются проведением конверсии до состава, равновесного при 80 К (48,5% рНт). Теоретически минимальная работа, необходимая для ожижения водорода в обратимом процессе при конверсии, протекающей равновесно на катализаторах, численно равна его эксергии 174 в сжиженном состоянии: (6.1) Т,маа — — (Оа — Оа) — То (5а — 5а), где индексы «н» и «к» означают начальное и конечное Работа ажяжеяяя Коасяяыа состое Прсяесс яояаерсяя Равновесный прн 20, 2ЗК Непрерывная 80 К-1-непрерывная 80 К, 65 К, 50 К, 35 К, 20, 23 К 80К, 60К, 40К, 20, 23 К ЗОК, 50 К, 20, 23 К 80К, 20, 23К 20, 23 К Равновесный ! стадия+равновесный 5 стадий 14,28 3,966 !4,42 4,006 !5,25 4,237 15,56 4,323 4 стадии !5,74 4,372 !7,53 4,870 !9,36 5,377 3 стадии 2 стадии ! стадия !2, 09 3,358 Нормальный [25Эе рН,) Нет конверсии !2,55 3,486 1 стадия Равновесный прн ЗОК [48 54е,о рНа) 80 К Работа, затрачиваемая в реальных установках, естественно, превышает теоретическую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
