Водород как альтернативный вид топлива
Введение
Исследования Солнца, звёзд, межзвёздного пространства показывают, что самым распространённым элементом Вселенной является водород (в космосе в виде раскалённой плазмы он составляет 70 % массы Солнца и звёзд).
По некоторым расчётам, каждую секунду в глубинах Солнца примерно 564 млн. тонн водорода в результате термоядерного синтеза превращаются в 560 млн. тонн гелия, а 4 млн. тонн водорода превращаются в мощное излучение, которое уходит в космическое пространство. Нет опасений, что на Солнце скоро иссякнут запасы водорода. Оно существует миллиарды лет, а запас водорода в нём достаточен для того, чтобы обеспечить ещё столько же лет горения.
Человек живёт в водородно-гелиевой вселенной.
Поэтому водород представляет для нас очень большой интерес.
Влияние и польза водорода в наши дни очень велика. Практически все известные сейчас виды топлива, за исключением, разумеется, водорода, загрязняют окружающую среду. В городах нашей страны ежегодно проходит озеленение, но этого, как видно, недостаточно. В миллионы новых моделей автомобилей, которые сейчас выпускаются, заливают такое топливо, которое выпускает в атмосферу углекислый (СО2) и угарный (СО) газы. Дышать таким воздухом и постоянно находиться в такой атмосфере представляет очень большую опасность для здоровья. От этого происходят различные заболевания, многие из которых практически не поддаются лечению, а уж тем более невозможно лечить их, продолжая находиться в можно сказать «заражённой» выхлопными газами атмосфере. Мы хотим быть здоровыми, и разумеется, хотим, чтобы поколения, которые пойдут за нами, тоже не жаловались и не страдали от постоянного загрязняемого воздуха, а наоборот, помнили и доверяли пословице: «Солнце, воздух и вода – наши лучшие друзья».
А пока я не могу сказать, что эти слова оправдывают себя. На воду нам уже вообще приходится закрывать глаза, поскольку сейчас, если даже брать конкретно наш город, известны факты, что из кранов течёт загрязнённая вода, и пить её ни в коем случае нельзя.
Что касается воздуха, то здесь на повестке дня уже много лет стоит не менее важная проблема. И если представить, хотя бы на секунду, что все современные двигатели будут работать на экологически чистом топливе, коим, разумеется, является водород, то наша планета встанет на путь, ведущий к экологическому раю. Но это всё фантазии и представления, которые, к великому нашему сожалению ещё не скоро станут реальностью.
Несмотря на то, что наш мир приближается к экологическому кризису, все страны, даже те, которые в большей степени загрязняют своей промышленностью окружающую среду, (ФРГ, Япония, США, и как это не прискорбно – Россия) не торопятся паниковать и начинать экстренную политику по её очищению.
Сколько бы мы не говорили о положительном влиянии водорода, на практике это можно увидеть довольно таки не часто. Но всё же разрабатывается множество проектов, и целью моей работы явился не только рассказ о самом чудесном топливе, но и о его применении. Эта тема очень актуальна, поскольку сейчас жителей не только нашей страны, но и всего мира, волнует проблема экологии и возможные пути решения этой проблемы.
Водород на Земле
Водород – один из наиболее распространённых элементов и на Земле. В земной коре из каждых 100 атомов 17 – атомы водорода. Он составляет примерно 0,88 % от массы земного шара (включая атмосферу, литосферу и гидросферу). Если вспомнить, что воды на земной поверхности более
1,5∙1018 м3 и что массовая доля водорода в воде составляет 11,19 %, то становится ясно, что сырья для получения водорода на Земле – неограниченное количество. Водород входит в состав нефти (10,9 – 13,8 %), древесины (6 %), угля (бурый уголь – 5,5%), природного газа (25,13 %). Водород входит в состав всех животных и растительных организмов. Он содержится и в вулканических газах. Основная масса водорода попадает в атмосферу в результате биологических процессов. При разложении в анаэробных условиях миллиардов тонн растительных остатков в воздух выделяется значительное количество водорода. Этот водород в атмосфере быстро рассеивается и диффундирует в верхние слои атмосферы. Имея малую массу, молекулы водорода обладают высокой скоростью диффузионного движения (она близка ко второй космической скорости) и, попадая в верхние слои атмосферы, могут улететь в космическое пространство. Концентрация водорода в верхних слоях атмосферы составляет 1∙10-4 %.
Что такое водородная технология?
Под водородной технологией подразумевается совокупность промышленных методов и средств для получения, транспортировки и хранения водорода, а также средств и методов его безопасного использования на основе неисчерпаемых источников сырья и энергии.
В чём же привлекательность водорода и водородной технологии?
Переход транспорта, промышленности, быта на сжигание водорода – это путь к радикальному решению проблемы охраны воздушного бассейна от загрязнения оксидами углерода, азота, серы, углеводородами.
Переход на водородную технологию и использование воды в качестве единственного источника сырья для получения водорода не может изменить не только водного баланса планеты, но и водного баланса отдельных её регионов. Так, годовая энергетическая потребность такой высокоиндустриальной страны, как ФРГ, может быть обеспечена за счёт водорода, полученного из такого количества воды, которое соответствует 1,5% среднего стока реки Рейн (2180 л воды дают 1 тут в виде H2). Отметим попутно, что на наших глазах становится реальной одна из гениальных догадок великого фантаста Жюля Верна, который устами героя рома «Таинственный остров» (гл. XVII) заявляет: «Вода – это уголь будущих веков».
Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. Ведь теплота сгорания 1 кг H2 составляет (по низшему пределу) 120 МДж/кг, в то время как теплота сгорания бензина или лучшего углеводородного авиационного топлива – 46 – 50 МДж/кг, т.е. в 2,5 раза меньше 1 т водорода соответствует по своему энергетическому эквиваленту 4,1 тут, к тому же водород – легковозобновляемое топливо.
Чтобы накопить ископаемое горючее на нашей планете, нужны миллионы лет, а чтобы в цикле получения и использования водорода из воды получить воду, нужны дни, недели, а иногда часы и минуты.
Но водород как топливо и химическое сырьё обладает и рядом других ценнейших качеств. Универсальность водорода заключается в том, что он может заменить любой вид горючего в самых разных областях энергетики, транспорта, промышленности, в быту. Он заменяет бензин а автомобильных двигателях, керосин в реактивных авиационных двигателях, ацетилен в процессах сварки и резки металлов, природный газ для бытовых и иных целей, метан в топливных элементах, кокс в металлургических процессах (прямое восстановление руд), углеводороды в ряде микробиологических процессов. Водород легко транспортируется по трубам и распределяется по мелким потребителям, его можно получать и хранить в любых количествах. В то же время водород – сырьё для ряда важнейших химических синтезов (аммиака, метанола, гидразина), для получения синтетических углеводородов.
Как и из чего в настоящее время получают водород?
В распоряжении современных технологов имеются сотни технических методов получения водородного топлива, углеводородных газов, жидких углеводородов, воды. Выбор того или иного метода диктуется экономическими соображениями, наличием соответствующих сырьевых и энергетических ресурсов. В разных странах могут быть различные ситуации. Например, в странах, где имеется дешёвая избыточная электроэнергия, вырабатываемая на гидроэлектростанциях, можно получать водород электролизом воды (Норвегия); где много твёрдого топлива и дороги углеводороды, можно получать водород газификацией твёрдого топлива (Китай); где дешёвая нефть, можно получать водород из жидких углеводородов (Ближний Восток). Однако больше всего водорода получают в настоящее время из углеводородных газов конверсией метана и его гомологов (США, Россия).
В процессе конверсии метана водяным паром, диоксидом углерода, кислородом и оксида углерода водяным паром протекают следующие каталитические реакции. Рассмотрим процесс получения водорода конверсией природного газа (метана).
Получение водорода осуществляется в три стадии. Первая стадия – конверсия метана в трубчатой печи:
CH4 + H2O = CO + 3H2 – 206,4 кДж/моль
или
CH4 +CO2 = 2CO + 2H2 – 248, 3 кДж/моль.
Вторая стадия связана с доконверсией остаточного метана первой стадии кислородом воздуха и введением в газовую смесь азота, если водород используется для синтеза аммиака. (Если получается чистый водород, второй стадии принципиально может и не быть).
CH4 + 0,5O2 = CO + 2H2 + 35,6 кДж/моль.
И, наконец, третья стадия – конверсия оксида углерода водяным паром:
CO + H2O = СO2 + H2 + 41,0 кДж/моль.
Для всех указанных стадий требуется водяной пар, а для первой стадии – много тепла, поэтому процесс в энерготехнологическом плане проводится таким образом, чтобы трубчатые печи снаружи обогревались сжигаемым в печах метаном, а остаточное тепло дымовых использовалось для получения водяного пара.
Рассмотрим, как это происходит в промышленных условиях (схема 1). Природный газ, содержащий в основном метан, предварительно очищают от серы, которая является ядом ля катализатора конверсии, подогревают до температуры 350 – 370 oС и под давлением 4,15 – 4,2 МПа смешивают с водяным паром в соотношении объёмов пар : газ = 3,0 : 4,0. Давление газа перед трубчатой печью, точное соотношение пар : газ поддерживаются автоматическими регуляторами.
Образующаяся парогазовая смесь при 350 – 370 oC поступает в подогреватель, где за счёт дымовых газов нагревается до 510 – 525 oС. Затем парогазовую смесь направляют на первую ступень конверсии метана – в трубчатую печь, в которой она равномерно распределяется по вертикально расположенными реакционным трубам (8). Температура конвертированного газа на выходе из реакционных труб достигает 790 – 820 oС. Остаточное содержание метана после трубчатой печи 9 – 11 % (объёмн.). Трубы заполнены катализатором.[1]
После реакционных труб конвертированная парогазовая смесь проходит подъёмные трубы (9) и по коллектору (10) попадает в шахтный конвертор метана второй ступени (11). Здесь на никелевом катализаторе происходит кислородная конверсия остаточного метана. Температура конвертированного газа на выходе из реактора второй ступени достигает 990 – 1000 oC, остаточное содержание метана в конвертированном газе составляет 0,35 – 0,55 % (объёмн.).
