НОВІ ДЖЕРЕЛА ЕНЕРГІЇ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ У ПРОМИСЛОВОСТІ
ПЛАН
Тест ......................................................................................................... 9
Список використаної літератури ............................................................ 10
Інтерес до використання водню як альтернативного виду палива існує вже не одне десятиліття. Це пов'язано, перш за все, з високою ціною на традиційні енергетичні ресурси, політичними аспектами формування ринку енергоносіїв, а також із забрудненням навколишнього середовища продуктами згоряння і прогнозованими змінами клімату в результаті парникового ефекту.
Серед завдань, що вирішуються в рамках концепції широкомасштабного використання водню, особливе місце займають проблеми взаємодії водню з металами. Гранична простота електронних властивостей і мала атомна маса атомів водню, з одного боку, дозволяють розглядати систему "водень-метал" як унікальний об'єкт для вивчення фундаментальних властивостей речовини. З іншого боку, їх використання в техніці відкриває перспективи створення широкого кола термохімічних технологій, здатних успішно конкурувати з найбільш ефективними методами трансформації енергії.
Отже, при створенні інфраструктури для водневої економіки металогідридні термохімічні технології з успіхом можуть бути використані при отриманні, транспортуванні, зберіганні та енерготехнологічної переробки водню.
На рисунку 1.1 представлена схема екологічно чистої водневої енергетичної системи, яка включає інфраструктури виробництва водню, його енерготехнологічну переробку з допомогою металогідридів і споживання, які пов'язані між собою матеріальними й енергетичними потоками.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 1.1 Схема водневої енергетичної системи виробництва, енерготехнологічної переробки і споживання водню
Процес сорбції водню гідрідними інтерметалідами носить селективний характер, що дає можливість використовувати металогідриди для глибокого очищення водню або його вилучення із газових сумішей.
Основною перевагою металогідридного способу очищення перед традиційними є значне скорочення кількості стадій очищення (у тому числі при поділі ізотопів).
Проведення циклу сорбції – десорбції водню металогідридом дозволяє здійснити ці процеси в одну стадію, причому залежно від забруднення вихідного водню і режиму очищення об'ємна частка домішок у видаваному водні становитиме 1*10-4-1*10-2% (об.).
Проте газові домішки, присутні в очищеному водні, можуть робити істотний вплив на процес сорбції, змінюючи його ємнісні й динамічні характеристики. Це зумовило необхідність дослідження фазових рівноваг в системах "металогідрид – водень – газові домішки".
Найбільш стійкими до дії домішок є інтерметаліди на основі рідкоземельних металів, з високим вмістом другого (негідрідостворюючого) компонента, в першу чергу LaNі5 і його похідні.
Попереднє часткове насичення гідрідостворюючого матеріалу чистим воднем істотно підвищує стійкість матеріалу до "отруєння" газовими домішками.
Теоретичні та експериментальні дослідження свідчать, що в системах "металогідрид – водень" спостерігається істотна зміна характеристик електропереносу в газовій фазі порівняно із рівноважним молекулярним воднем.
Зокрема, запалювання тліючого розряду у водні, десорбіруємому з гідриду LaNі5Hx, має місце при відносних градієнтах потенціалу Е / Р в 1,5-2 рази нижче, ніж в звичайному молекулярному. Серед частинок, що утворюють плазму розряду, значно збільшується частка атомних і комплексних іонів (Н+, Н3+) стосовно молекулярних. В певних умовах (вакуум 10-6 – 10-3 Па) в десорбіруємому з гідридів інтерметалідів водні спостерігається помітна частка іонів Н+ і Н2+ .
Таким чином, водень, який десорбірується, з металогідридів характеризується підвищеною, порівняно з рівноважним, ефективністю іонізації.
Проведені дослідження для процесу утворення молекулярних іонів Н2+ показали, що водень, десорбіруємий з металогідридів, має на 30-50% вищі межі іонізації, а потенціал появи іонів Н2+ відповідно нижче на 0,3-0,5 еВ, ніж для звичайного водню з балона.
Відповідно до результатів масспектрометричного дослідження тонкої структури кривих ефективності іонізації десорбувати з металогідридів ізотопів водню показано, що значну частку частинок в ньому становлять коливально-збуджені молекули.
Зміна енергетичного стану водню в ході його активування металогідридами робить істотний позитивний вплив на процеси, пов'язані з іонізацією, дисоціацією і збудженням його молекул і дозволяє помітно підвищити ефективність енергоустановок, що реалізують такі процеси. Це стосується різних систем технічної фізики (джерела іонів ізотопів водню в прискорювальній техніці й установках термоядерного синтезу, водневі мазери тощо), а також електрохімічних перетворювачів енергії.
Металогідридні системи є альтернативою традиційним пристроям для енерготехнологічної переробки водню: його зберігання, очищення від газових домішок або селективного вилучення з водородмістких газів, подачі споживачеві під заданим тиском і з заданими витратами, відкачування та ін.
Зразки цієї металогідридної техніки характеризуються технологічною та експлуатаційною простотою, відсутністю рухомих частин, безшумністю в роботі, відсутністю функціональних джерел забруднення водню, а також можливістю утилізації теплоти низького температурного потенціалу.
Вона істотно спрощує схеми традиційних альтернативних систем переробки водню, виключаючи з них газові балони, компресори, очисні колони, регулятори тиску.
Відмінною особливістю розробленої у НАН України металогідридної техніки є її багатофункціональність, тобто можливість суміщення двох і більше операцій переробки водню в єдиному металогідридному пристрої. Способи роботи і конструкції таких пристроїв захищені більш ніж 50 авторськими свідоцтвами і патентами.
Водень є одним з базових реагентів для багатьох галузей сучасної промисловості. Планується його широке використання як екологічно досконалого палива для двигунів внутрішнього згоряння. Світове виробництво водню головним чином паровою конверсією природного газу (ПГ) досягло понад 50 млн. т/рік.
В Україні обсяг виробництва водню, в основному для виробництва аміаку, становить 3 млн. т/рік. Аміак й азотні добрива – одна з основних статей експорту України, проте підприємства використовують застарілу технологію і мають низьку конкурентноспроможність.
Технологія парової конверсії ПГ включає 5 хімічних стадій, підготовку води, виробництво пари, системи утилізації тепла й керування. Складним апаратом є піч конверсії з вбудованим трубчастим реактором. Для подавлення утворення вуглецю ПГ розбавляється водяною парою до співвідношення 1:3.
Реагенти поступають в жароміцні імпортні труби з нікелевим каталізатором. Температура конверсії досягається теплопередачею від продуктів горіння ПГ. Градієнт температур і концентрацій реагентів за перетином та висотою труби приводить до підвищених витрат ресурсів, а викиди двоокису вуглецю становлять 0,8 кг/м3 Н2.
Знизити сировинні, енергетичні та капітальні затрати й вирішити екологічні проблеми виробництва водню можна, тільки принципово змінивши ідеологію переробки сировини.
Аналіз промислової практики й наукової літератури свідчить про доцільність отримання водню піролізом ПГ. При цьому заміна газофазного теплоносія на рідиннофазний дозволить інтенсифікувати тепло- та масообмін і підвищить ефективність виробництва.
Відвід продуктів піролізу в спеціальних установках здійснюється безпосередньо з поверхні розплаву. У заздалегідь розігрітий до робочої температури кварцовий реактор завантажується поварена сіль. При досягненні однорідності розплаву у нього додається один з реагентів (ПГ, повітря і водяна пара).
Стійка робота реактора контактного піролізу ПГ забезпечується за рахунок переносу вуглецю з газової фази до теплоносія і його подальшого окиснення.
Термодинамічний аналіз переконливо свідчить про економічні переваги одноступінчатої технології піролізу природного газу. В розрахунку на 1000 м3 водню у порівнянні з процесом конверсії, який сьогодні широко застосовується, при піролізі виробляється додатково енергії 7,11 ГДж/1000 м3 Н2, а при конверсії потрібно підвести 1,84 ГДж/1000 м3 Н2, без урахування витрат енергії на демінералізацію та випарування води.
Слід враховувати, що при піролізі водень утворюється в одну хімічну стадію, а при конверсії ПГ – 5 хімічних стадій, одну масопередачі, а також підготовку води, виробництво пари, системи утилізації тепла й керування.
Окиснення вуглецю, який утворюється при піролізі ПГ, забезпечує енергоспоживання ендотермічної реакції утворення водню і дозволяє спрямувати надлишок тепла (80%) споживачам. В наслідок чого виробництво водню з енергоємного (конверсія природного газу) перетворюється на енергогенеруюче. Це дозволяє створити єдиний енергозберігаючий технологічний комплекс з виробництвом водню, електричної та теплової енергії.
Українські вчені пропонують дві конструкції реакторів виробництва водню. У першій ПГ надходить у ліву зону реактора і в бульбашковому режимі проходить через розплав, а Н2 виводиться зверху. Повітря подається у праву зону, проходить розподільник і барботує через розплав, окисляючи вуглець. Димові гази виводяться з реактора окремим потоком. Можливий варіант із вертикальним або коаксіальним розташуванням зон реактора.
У другій конструкції реактора в зоні піроліза теплоносій піднімається пневмотранспортом. У зоні окиснення теплоносій розпиляється. Це інтенсифікує реакцію окиснення вуглецю. В сепараційній зоні відбувається відділення водню від розплаву. Дегазований теплоносій через гідрозатвор надходить на розподільник, де диспергується потоком повітря.
Закономірності, які забезпечують максимальний вміст водню в газі піролізу ПГ, такі:
– при діаметрі вихідного отвору ПГ до 5 мм ступінь перетворення залежить лише від температури;
– піроліз інгібірується утвореним раніше воднем тому при русі бульбашки по розплаву і діаметрі вихідного отвору ПГ до 5 мм концентрація водню не змінюєтся;
– піроліз в розплаві виключає (на відміну від газофазного процесу) утворення побічних органічних продуктів, що пов'язано з переходом вуглецю (продукту реакції та автокаталізатора піролізу) у рідку фазу.
Умови, що забезпечують вміст водню в продуктах реакції, близький до 100%:
– реакції піролізу здійснюють в розплаві NaCl, який є хімічно індиферентним до реагентів, продуктів реакції та матеріалу реактора;
– реакції піролізу ПГ й окиснення утвореного вуглецю проводять у герметично розділених за газовою фазою зонах реактора, які мають загальний циркулюючий теплоносій, що забезпечує теплообмін між зонами;
– рух ПГ в бульбашковому режимі забезпечує (у порівнянні зі струменевим) піроліз при більш низьких температурах;
– уніс вуглецю з розплаву виключається при вмісті його у теплоносії менше 8% мас.
Витрата ПГ в технології та енергозабезпеченні піролізу теоретично складає 0,20-0,32 м3 на 1 м3 водню, а досягнута величина на сучасних зарубіжних агрегатах парової конверсії – 0,4 м3 ПГ.
Продуктивність праці – це ...
а) витрати суспільно необхідної праці на виробництво одиниці продукції;
б) витрати живої праці на виробництво одиниці продукції;
в) здатність за одиницю робочого часу створити певні споживчі вартості;
г) міра кількості затраченої праці
Будь-яку продукцію створює людина за рахунок своїх сил, своєї енергії. Тому правильною вважаю відповідь, яка міститься під пунктом "г".
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ