Оксид вуглецю далі перетворюється на водень та діоксид вуглецю в системі парової конверсії. Парова конверсія оксиду вуглецю до водню проводиться в два ступені. Перший ступінь конверсії здійснюється при температурі 330 - 400 С° на залізо-хромовому каталізаторі, при цьому на виході з конвертора першого ступеня вміст оксиду вуглецю у конвертованій газі падає до 3,3% (об'емн.), і з таким змістом оксиду вуглецю газ, пройшовши через випарник , набуває в другу, низькотемпературну ступінь конверсії. Тут на низькотемпературному каталізаторі конверсії, що містить оксидні сполуки міді, цинку, алюмінію, хрому, при температурі 190-210 С° відбувається доконверсія залишкового оксиду вуглецю до його змісту на виході з конвертора 0,4 - 0,5%. Далі газ надходить на очищення вуглецю різного роду поглиначами. Так у промислових умовах отримують чистий водень і азот-водневу суміш.
4 Отримання водню - майбутня технологія
Сучасна технологія забезпечує щорічне отримання в усьому світі десятків мільйонів тонн молекулярного водню. Понад 90% його виходить каталітичної конверсією метану, рідких вуглеводнів, газифікацією твердого палива. Абсолютно ясно, що у майбутньому при переході на водневу технологію такі джерела отримання водню, крім твердого палива, будуть в основному виключені. В якості основного джерела сировини буде використовуватися вода. В якості джерела енергії для розкладання води - атомна енергія в різних її видах (тепло, електроенергія) та енергія води, вітру у вигляді електричної енергії, енергія сонячного випромінювання. Загальна картина використання первинних джерел енергії для одержання водню представлена на схемі 3.
При уважному розгляді всього комплексу методів отримання водню видно, що якщо використання горючих копалин має прямий вихід до водню, то використання інших первинних джерел енергії в основному базується на використанні електричної енергії для електролітичного розкладання води, енергії Сонця в фотосинтетичних системах для розкладання води й атомного тепла в термохімічних системах для розкладання води. Електроліз води проводиться в промисловій практиці давно і широко описаний в літературі. Зараз робляться значні зусилля в науці промисловості, щоб використовувати невичерпну енергію сонячного випромінювання для розкладання води. Це і застосування фотолізних осередків для розкладання води, сонячних осередків для отримання електроенергії з подальшим її використанням при електролізі води. Головне завдання, яке тут вирішується, полягає в тому, щоб провести під безпосереднім впливом сонячної енергії ряд фотохімічних реакцій з цільовим призначенням розкладання води до водню кисню. Суть проблеми полягає в тому, щоб підібрати такі біологічні системи, які будуть використовувати сонячну енергію для розкладання води.
Але найбільш в технологічному плані є методи термохімічної розкладання води. Ці методи важливі тим, що для розкладання води вони можуть використовувати і тепло атомних реакторів, сонячне тепло, і тепло геотермальних вод, і будь-які інші види тепла, наприклад перепад температур верхніх і нижніх шарів тропічних морів. Розробляються та комбіновані термохімічні процеси, які поряд з теплом використовують електричну енергію - термоелектрохімічних процеси, сонячне випромінювання, фото-і термохімічні процеси. Термохімічні процеси розкладання води привабливі ще й тим, що в результаті цілого ряду хімічних перетворень, що протікають у термохімічної циклі (системі), з циклу в навколишній простір нічого, крім водню і кисню, не виділяється. Всі хімічні процеси, що супроводжують розкладання води, знаходяться в закритому циркуляційному контурі. У цей контур підводяться тільки вода і тепло (високопотенціальні), від контуру відводяться водень, кисень і тепло (низькопотенційні).
5 Багатоликий водень
Ми підняли лише краєчок завіси сцен на якій діє один з найцікавіших елементів нашого Всесвіту - багатоликий водень. Аж до XX ст. Всі були переконані, що за «горючим повітрям» Кавендіш, гідрогеніумом Лавуазьє ховається елемент, що породжує при своєму з'єднанні з киснем звичайну воду.
Але в XX ст. Водень придбав багатоликість. У природі були відкриті три різних водню, три його ізотопу, які були названі відповідно до складності своїх ядер. Найлегший - проти. Водень у звичайній воді в основному складається з протію. Але у воді є і більш важкий водень - дейтерій. На кожні 6700 атомів протію доводиться один атом дейтерію.
Існує і надважкий водень - тритій. Тритій радіоактивний. Він безперервно утворюється в стратосфері під дією космічного випромінювання. Є припущення, що це не межа для існування нових, ще більш важких ізотопів водню, які повинні бути радіоактивні.
Дейтерій - вихідний елемент для енергії майбутнього. Вперше існування важкого водню - дейтерію було доведено в 1932 році. Незважаючи на відносно малий вміст дейтерію в звичайній воді, загальна кількість дейтерію на Землі дуже велике. За підрахунками академіка І. В. Курчатова, 1 літр звичайної води по енергії, що міститься в ньому дейтерію еквівалентний приблизно 400 л нафти, тому дейтерію кат палива майбутнього вистачить на сотні мільйонів років. (Згадайте ще раз героя Жуля Верна).
Кількість тритію на Землі зникає мало. Його менше 1 кг, але, незважаючи на це, його можна виявити в кожній краплі води. А його значення в майбутній енергетиці, можливо, ще більш велика, ніж дейтерію. Він нестійкий, період його напіврозпаду - 12, 262 року.
Водень (проти), дейтерій і тритій утворюють двохатомних молекул. Молекули з однаковими атомами Н2, D2, Т2 існують у двох ядерно-ізомерних формах, орто- і пара-форми. Ця ізомерія є вихідною причиною відмінності магнітних, спектральних та термічних властивостей обох модифікацій.
Моя розповідь про водні і водневої технології був би неповним, якби ми не вказали на ще один лик водню - атомарний водень, переможний хід якого в техніці належить. Справа в тому, що атомарний водень більше перспективне пальне, ніж проти.
Р. Вуд в 1922 р. встановив, що при пропусканні тихих електричних розрядів через водень, що знаходиться під тиском в декількох десятих часток міліметра ртутного стовпа, можна отримати атомарний водень. Скільки отримують водню і для яких цілей?
Водень отримують у газоподібному вигляді і, якщо для використання необхідний рідкий водень, його піддають глибокому охолодженню і зрідження.
Виробництво молекулярного водню в 1985 році досягло приблизно 57 млн. тонн (без СРСР), а в 1990 році вже 95. Якщо згадати, що водень це газ, який в 14,5 рази легший за повітря, то стане ясно, який це величезний об'єм.
Де ж у цей час використовується така маса водню? По-перше, в азотній промисловості, для отримання синтетичного аміаку. По-друге, для отримання метанолу з СВ і Н2, Значна кількість водню використовується в нафтохімічній промисловості для очищення нафти від сірчистих сполук, для гідрування важких нафтових фракцій і підвищення виходу легких фракцій, у ряді нафтохімічних синтезів, для гідрування жирів, в металургії для відновлення руд чорних і кольорових металів, рідкий водень необхідний в авіації і космонавтиці, у ряді виробництв. У майбутньому споживання водню буде рости більш високими темпами. Виникне промисловість синтетичного рідкого і газоподібного палива на базі твердих горючих копалин (гідрування і гідрогазифікація твердих палив).
Ми, тут не розкриваємо широке використання водню в промисловості (воднева зварювання та різання металів, мікроелектроніка і т. д.), в сільському господарстві. Особливо стоїть питання про використання ізотопів водню в атомної і термоядерної енергетиці.
Ось приклад, який буде характеризувати одного з майбутніх споживачів водню.
Будинок на водні. Як це мислиться? В даний час для забезпечення всіх міських зручностей до міському будинку повинні бути підключені комунікації для побутового газу, джерела електроживлення, джерела побутового теплопостачання. Все це дуже дорого і складно. Чи не можна спростити цю схему? Сучасна техніка дає на це однозначну відповідь - можна. Для цього до будинку повинна бути підведена лише одна траса - трубопровід для водню.
Використання водню для побутових цілей значною мірою технічно підготовлено. Відомі й випробувані різні типи керамічних пальників. Регулюючи подачу газу в пальник, в яку вмонтована каталітична пластина, можна змінювати в широких межах температуру нагрівання при приготуванні їжі. Водень легко і повністю згорає при низьких температурах на поверхні каталізаторів. При цих температурах повністю виключається утворення оксидів азоту. Єдиним продуктом згоряння на кухні буде водяну пару.
Низькотемпературне спалювання водню забезпечує його використання в низькотемпературних каталітичних калорифер для побутового опалення. Форма обігрівача конструюється в залежності від цілей обігріву. Наприклад, стіни квартири можуть використовуватися як поверхня нагріву.
Освітлення в будинку на водні може забезпечуватися спеціальними світильниками, в яких на внутрішню сторону трубки наноситься фосфор точно так само. Як в люмінесцентних лампах. Коли водень у присутності регульованого кількості повітря вступає в контакт з фосфором, останній люмінесцентних, висвітлюючи квартиру, але сама лампа не нагрівається. Холодильники та кондиціонери в такому будинку можуть працювати за допомогою адсорбційних рефрижераторів з використанням каталітичної водневої пальника в якості джерела енергії. До такого будинку не треба підводити електроенергію для інших електропобутових приладів (пилососів, телевізорів, вентиляторів і т.д.), так як електроенергія може вироблятися в самому будинку на основі водневого паливного елементу.
Дім на водні веде до селища на водні і місту на водні, де єдині енергоносієм стає водень, який використовується не тільки в побуті, але і для транспортних цілей (автомобілі на водневому паливі), у промисловості. Такий місто буде абсолютно чистим в екологічному відношенні, так як єдиним викидом в атмосферу буде чистий водяний пар.
6 Роль водню і водневої технології у кругообігу речовин у природі
В даний час пов'язаний вуглець у вигляді природного газу, нафти, твердого пального (деревини, торфу, кам'яного вугілля) активної людської діяльністю у промисловості, на транспорті і в побуті переводиться в енергетичні тупики - поклади карбонатних порід. Загальна промислово виділення СО2 в атмосферу з кожним роком зростає. Повернути цю величезну масу пов'язаного вуглецю, яке обчислюється десятками мільярдів тонн, в кругообіг речовин в природі - одна з найважливіших задач водневої технології. Саме воднева технологія розробила ряд шляхів для досягнення цієї мети. В основі цієї технології лежать процеси гідрування СО2 до метану, метанолу, рідких вуглеводнів. Наприклад,
СО2 + 3Н2 каталізатор = СН3ОН + Н2О.
Метанол необхідний промисловості в мільйонах тонн. Він може також стати основним джерелом для отримання бензину.
