Получение водорода
Получение
водорода.
Саратовских
Мария Станиславовна, Агеева Елена Евгеньевна,
10А, школа №75
Черноголовка
Водородная
энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического
прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как
расширялась область исследований, связанных с получением, хранением,
транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными
экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного
хозяйства. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные
элементы, транспортные системы на водороде, металлогидридные и многие другие)
продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым
показателям в работе систем или агрегатов. А выполненные технико-экономические
исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным
энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в
ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по
водородной энергетике во многих, особенно промышленно развитых странах
относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все
большую финансовую поддержку со стороны как государственных структур, так и
частного капитала.
Свойства
водорода.
В свободном
состоянии и при нормальных условиях водород - бесцветный газ, без запаха и
вкуса. Относительно воздуха водород имеет плотность 1/14. Он обычно и
существует в комбинации с другими элементами, например, кислорода в воде,
углерода в метане и в органических соединениях. Поскольку водород химически
чрезвычайно активен, он редко присутствует как несвязанный элемент.
Охлажденный до
жидкого состояния водород занимает 1/700 объема газообразного состояния.
Водород при соединении с кислородом имеет самое высокое содержание энергии на
единицу массы: 120.7 ГДж/т. Это - одна из причин, почему жидкий водород
используется как топливо для ракет и энергетики космического корабля, для
которой малая молекулярная масса и высокое удельное энергосодержание водорода
имеет первостепенное значение. При сжигании в чистом кислороде единственные
продукты - высокотемпературное тепло и вода. Таким образом, при использовании
водорода не образуются парниковые газы и не нарушается даже круговорот воды в
природе.
Производство
водорода.
Запасы
водорода, связанного в органическом веществе и в воде, практически
неисчерпаемы. Разрыв этих связей позволяет производить водород и затем
использовать его как топливо. Разработаны многочисленные процессы по разложению
воды на составные элементы.
При нагревании
свыше 25000С вода разлагается на водород и кислород (прямой
термолиз). Столь высокую температуру можно получить, например, с помощью
концентратов солнечной энергии. Проблема здесь состоит в том, чтобы
предотвратить рекомбинацию водорода и кислорода.
В настоящее
время в мире большая часть производимого в промышленном масштабе водорода
получается в процессе паровой конверсии метана (ПКМ). Полученный таким путем
водород используется как реагент для очистки нефти и как компонент азотных
удобрений, а также для ракетной техники. Пар и тепловая энергия при
температурах 750-8500С требуются, чтобы отделить водород от
углеродной основы в метане, что и происходит в химически паровых реформерах на
каталитических поверхностях. Первая ступень процесса ПКМ расщепляет метан и
водяной пар на водород и моноксид углерода. Вслед за этим на второй ступени
"реакция сдвига" превращает моно оксид углерода и воду в диоксид
углерода и водород. Эта реакцияпроисходит при температурах 200-2500С.
В 30-е годы в
СССР получали в промышленных масштабах синтез-газ путем паро-воздушной
газификации угля. В настоящий момент в ИПХФ РАН в Черноголовке разрабатывается
технология газификация угля в сверхадиабатическом режиме. Эта технология
позволяет переводить тепловую энергию угля в тепловую энергию синтез-газа с КПД
98%.
Начиная с 70-х
годов прошлого века в стране были выполнены и получили необходимое
научно-техническое обоснование и экспериментальное подтверждение проекты
высокотемпературных гелиевых реакторов (ВТГР) атомных энерготехнологических
станций (АЭТС) для химической промышленности и черной металлургии. Среди них
АБТУ-50, а позднее - проект атомной энерготехнологической станции с реактором
ВГ-400 мощностью 1060 МВт для ядерно-химического комплекса по производству
водорода и смесей на его основе, по выпуску аммиака и метанола, а также ряд
последующих проектов этого направления.
Основой для
проектов ВТГР послужили разработки ядерных ракетных двигателей на водороде.
Созданные в нашей стране для этих целей испытательные высокотемпературные
реакторы и демонстрационные ядерные ракетные двигатели продемонстрировали
работоспособность при нагреве водорода до рекордной температуры 3000К.
Высокотемпературные
реакторы с гелиевым теплоносителем - это новый тип экологически чистых
универсальных атомных энергоисточников, уникальные свойства которых -
способность вырабатывать тепло при температурах более 10000С и
высокий уровень безопасности - определяют широкие возможности их использования
для производства в газотурбинном цикле электроэнергии с высоким КПД и для
снабжения высокотемпературным теплом и электричеством процессов производства
водорода, опреснения воды, технологических процессов химической,
нефтеперерабатывающей, металлургической и др. отраслей промышленности.
Одним из
наиболее продвинутых в этой области является международный проект ГТ-МГР,
который разрабатывается совместными усилиями российских институтов и
американской компании GA. С проектом сотрудничают также компании Фраматом и
Фуджи электрик.
Получение
атомного водорода.
В качестве
источника атомного водорода используют вещества, отщепляющие при их облучении
атомы водорода. Например, при облучении ультрафиолетовым светом йодистого
водорода происходит реакция с образованием атомного водорода:
HI + hv® H + I
Для получения
атомного водорода применяется также метод термической диссоциации молекулярного
водорода на платиновой, палладиевой или вольфрамовой проволоке, нагретой в
атмосфере водорода при давлении менее 1,33 Па. Диссоциации водорода на атомы
можно достигнуть и при использовании радиоактивных веществ. Известен способ
получения атомного водорода в высокочастотном электрическом разряде с
последующим вымораживанием молекулярного водорода.
Физические
методы извлечения водорода из водородосодержащих смесей.
Водород в
значительных количествах содержится во многих газовых смесях, например в
коксовом газе, в газе, получаемом при пиролизе бутадиена, в производстве
дивинила.
Для извлечения
водорода из водородосодержащих газовых смесей используют физические методы
выделения и концентрирования водорода.
Низкотемпературная
конденсация и фракционирование. Этот процесс характеризуется высокой степенью
извлечения водорода из газовой смеси и благоприятными экономическими
показателями. Обычно при давлении газа 4 МПа для получения 93-94%-ного водорода
необходима температура 115К. При концентрации водорода в исходном газе более
40% степень его извлечения может достигать 95%. Расход энергии на
концентрирование H2 от 70 до 90% составляет примерно 22 кВт.ч
на 1000м3 выделяемого водорода.
Адсорбционное
выделение. Этот процесс осуществляется при помощи молекулярных сит в циклически
работающих адсорберах. Его можно проводить под давлением 3-3,5 МПа со степенью
извлечения 80-85% H2 в виде 90%-ного концентрата. По сравнению с
низкотемпературным методом выделения водорода для проведения этого процесса
требуется примерно на 25-30% меньше капитальных и на 30-40% эксплуатационных
затрат.
Адсорбционное
выделение водорода при помощи жидких растворителей. В ряде случаев метод
пригоден для получения чистого H2. По этому методу может быть
извлечено 80-90% водорода, содержащегося в исходной газовой смеси, и достигнута
его концентрация в целевом продукте 99,9%. Расход энергии на извлечение составляет
68 кВт.ч на 1000м3 H2.
Получение
водорода электролизом воды.
Электролиз воды
один из наиболее известных и хорошо исследованных методов получения водорода.
Он обеспечивает получение чистого продукта (99,6-99,9% H2 ) в одну
технологическую ступень. В производственных затратах на получение водорода
стоимость электрической энергии составляет примерно 855.
Этот метод
получил применение в ряде стран, обладающих значительными ресурсами дешевой
гидроэнергии. Наиболее крупные электрохимические комплексы находятся в Канаде,
Индии, Египте, Норвегии, но созданы и работают тысячи более мелких установок во
многих странах мира. Важен этот метод и потому, что он является наиболее
универсальным в отношении использования первичных источников энергии. В связи с
развитием атомной энергетики возможен новый расцвет электролиза воды на базе
дешевой электроэнергии атомных электростанций. Ресурсы современной
электроэнергетики недостаточны для получения водорода в качестве продукта для
дальнейшего энергетического использования.
Электрохимический
метод получения водорода из воды обладает следующими положительными качествами:
1) высокая чистота получаемого водорода – до 99,99% и выше; 2) простота
технологического процесса, его непрерывность, возможность наиболее полной автоматизации,
отсутствие движущихся частей в электролитической ячейке; 3) возможность
получения ценнейших побочных продуктов – тяжелой воды и кислорода; 4)
общедоступное и неисчерпаемое сырье – вода; 5) гибкость процесса и возможность
получения водорода непосредственно под давлением; 6) физическое разделение
водорода и кислорода в самом процессе электролиза.
Во всех
процессах получения водорода разложением воды в качестве побочного продукта
будут получаться значительные количества кислорода. Это даст новые стимулы его
применения. Он найдет свое место не только как ускоритель технологических
процессов, но и как незаменимый очиститель и оздоровитель водоемов,
промышленных стоков. Эта сфера использования кислорода может быть
распространена на атмосферу, почву, воду. Сжигание в кислороде растущих
количеств бытовых отходов сможет решить проблему твердых отбросов больших
городов.
Еще более
ценным побочным продуктом электролиза воды является тяжелая вода – хороший
замедлитель нейтронов в атомных реакторах. Кроме того, тяжелая вода
используется в качестве сырья для получения дейтерия, который в свою очередь
является сырьем для термоядерной энергетики.
Список
литературы
Справочник.
“Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение”. Москва
“Химия” - 1989 г.
Ю.М. Буров
“Сверхадиабатические обжиговые печи” стр.6-7. “Машиностроитель”1995г. №12.