Основные способы получения водорода. Получение водорода из нефти


Получение водорода

Водород широко используют в самых различных отраслях промышленности: в синтезе хлорводорода, аммиака (аммиак далее используется для производства азотных удобрений), в анилинокрасочном производстве, при восстановлении из руд цветных металлов. В пищевой промышленности его применяют для получения заменителей животных жиров (маргаринов). В связи с вышеперечисленным актуальным вопросом является получение водорода в промышленных условиях.

Этот газ рассматривается как будущий носитель энергии в силу того, что он является возобновляемым, не выделяет "парникового газа" CO₂ при сжигании, дает большое количество энергии на единицу веса в процессе горения и легко преобразуется в электроэнергию топливных элементов.

В лабораторных условиях чаще всего водород получают восстановлением металлами, которые стоят левее в электрохимическом ряду напряжений, из воды и кислот:Zn + 1HCl = ZnCl₂ + H₂↑: ΔH <02Na + 2HOH = 2NaOH + H₂↑: ΔH <0.

В промышленности получение водорода происходит, в основном, путем переработки природных и попутных газов.

1. Конверсия метана. Процесс заключается во взаимодействии метана с парами воды при 800 – 900°С: CH₄ + H₂O = CO↑ + 3H₂↑; ΔH>0. Наряду с этим используют процесс неполного окисления углеводородов кислородом в присутствии водяных паров: 3CH₄ + O₂ + H₂O = 3CO + 7 H₄. Эти методы со временем утратят свое значение, поскольку запасы углеводородного сырья истощаются.

2. Биоводород может быть получен из морских водорослей в биореакторе. В конце 1990-х годов было обнаружено, что если водорослей лишить серы, они будут переключаться с производства кислорода, т. е. нормального фотосинтеза, на производство водорода. Биоводород может также производиться в биореакторах, использующих, кроме водорослей, бытовые отходы. Процесс происходит благодаря бактериям, которые поглощают углеводород, а производят водород и CO2.

3. Глубокое охлаждение коксового газа. При процессе коксования каменного угля получают три фракции: твердую – кокс, жидкую – каменноугольную смолу - и газообразную, содержащую, помимо углеводородов, молекулярный водород (около 60%). Эту фракцию подвергают сверхглубокому охлаждению после того, как обработают специальным веществом, что дает возможность отделить от примесей водород.

4. Получение водорода из воды с применением электролиза – способ, дающий самый чистый водород: 2H₂O →электролиз→2H₂ + O. 

5. Конверсия углерода. Вначале получается водяной газ, при пропускании паров воды через раскаленный до 1000°С кокс: C + H₂O = CO↑ + H₂↑; ΔH>0, который затем в смеси с водяным паром пропускают над нагретым до 400 - 500°С катализатором Fe₂O₃. Происходит взаимодействие оксида углерода (II) и водяного пара: CO + H₂O + (H₂) = CO₂ + 2H₂↑; ΔH>0.

6. Получение водорода конверсией угарного газа (CO), основанное на уникальной реакции с помощью фотосинтетических пурпурных бактерий (одноклеточных микроорганизмов своеобразной красной или розовой окраски, которая связана с наличием пигментов фотосинтеза). Эти бактерии выделяют водород в результате реакции конверсии: CO + H₂O →CO₂ + H₂.

Образование водорода идет из воды, реакция не требует высоких температур и освещения. Процесс происходит при комнатной температуре в темноте.

Важное промышленное значение в наши дни приобретает выделение водорода из газов, образующихся при переработке нефти.

Однако многие не знают, что возможно получение водорода в домашних условиях. Для этих целей можно воспользоваться реакцией раствора щелочи и алюминия. Возьмем пол-литровую стеклянную бутылку, пробку с отверстием, газоотводную трубку, 10 г медного купороса, 20 г соли, 10 г алюминия, 200 г воды, воздушный шар.

Готовим раствор медного купороса: на 100 г воды добавляем 10 г медного купороса.

Готовим соляной раствор: на 100 г воды добавляем 20 г соли.

Растворы смешиваем. Добавляем в полученную смесь алюминий. После того, как в бутылке появилась белая взвесь, прикрепляем к трубке шар и наполняем его выделяющимся водородом.

Обратите внимание! Данный опыт проводить нужно только на свежем воздухе. Обязателен контроль температуры, так как реакция происходит с выделением тепла и может выйти из-под контроля.

Также следует помнить, что водород, если его смешать с воздухом, образует  зрывоопасную смесь, которую называют гремучим газом (две части водорода и одна часть кислорода). Если такую смесь поджечь, то она взорвется.

fb.ru

Получение водорода. Установки получения (производства) водорода.

Общее описание

  • Генератор водорода
    • Установка оборудована 2 пакетами элементов для производства водорода 30 нм³/ч
    • Контейнер модернизирован и подготовлен для увеличения производительности в будущем до 45 нм³/ч. Так же если в будущем потребуется дополнительно увеличить мощность, то контейнер рассчитан на увеличение до 60 нм³/ч.
  • Модуль хранения объемом 50 м³ по воде для хранения 450 нм³ водорода при 10 бар.

Предложенная нами система включает стандартные встроенные системы безопасности, стандартное заводское приемочное испытание и комплект технической документации.

Услуги на месте включают: пуск системы, ввод в эксплуатацию и обучение на месте. Строительные работы и подготовка площадки, выполняемые на месте, осуществляются заказчиком в соответствии с требованиями.

Энергоисточники (вода, электричество, азот, воздух КИП,…) должны быть доступны на месте.

Характеристики электролизера:

  • Полностью автоматическая работа
  • Полный контроль получения водорода
  • Производство под давлением (10 бар изб.) без установки компрессора
  • Высокая эффективность и надежность
  • Очень низкие затраты на техническое обслуживание (ограниченное число подвижных деталей, без насоса для электролита)
  • Водород не содержит углерода – без вредных выбросов
  • Производственный процесс сертифицирован по ISO 9001, 14001
  • Услуги по пуску и пост-продажному обслуживанию

Введение

Установка производства водорода в контейнерном исполнении для установки снаружи представляет собой комплексную установку производства водорода с производительностью по водороду 60 нм³/ч при чистоте 99,998% и давлении 10 бар (изб.)

Разработан модифицированный ISO контейнер повышенной вместимости для размещения генератора водорода и всего его питающего оборудования.

Ввод оборудования для наружного размещения в эксплуатацию на площадке заказчика тем самым значительно облегчен по сравнению с установкой в существующее помещение генератора на базе скида.

Надежность

Используя принцип внедрения технологического уровня эксплуатационной безопасности оборудования каждая установка помимо прочего обладает следующими характеристиками:

  • минимальное присутствие газа в системе
  • определение минимального давления для предотвращения попадания воздуха
  • система непрерывного мониторинга/обнаружения водорода в атмосфере
  • система защитной вентиляции зона II (только с кожухом или корпусом (каркасом) для наружного размещения)
  • надежная логическая схема для всех параметров
  • Система бесперебойного питания, обеспечивающая безопасное отключение в случае аварийного отключения питания
  • Система постоянного мониторинга, чистота производства О2 газа
  • Системы множественного / параллельного управления
  • Многократное резервирование параметров, которые являются критичными в рамках безопасности системы

Автоматизация

Надежность – это одно из наиболее значимых требований для наших заказчиков. Установка разработана для полностью непрерывной эксплуатации с минимальной потребностью в присутствии оператора, обеспечивая константный поток водорода.

  • Система контроля давления: Человеко-машинный интерфейс на панели управления позволяет операторы выбрать требуемое давление газа (между 8 и 10 бар изб.). Установка автоматически регулирует свою производительность с тем, чтобы обеспечить установленное давление.
  • Автоматизация охлаждения: охлаждающая вода поступает в теплообменники через клапан, регулируемый ПЛК. При повышении температуры клапан открывается, тем самым подавая большее количество охлаждающей воды в контур. В результате этого – стабильная производственная температура.
  • Автоматическая продувка азотом: следуя принципам системы, продувка азотом требуется перед запуском установки при внутреннем давлении ниже 15 кПа. Процесс продувки регулируется ПЛК системы путем активации клапана в последовательном процессе.
  • Удаленный I/O: используя современное соединение PROFIBUS, мы значительно уменьшили количество соединительных кабелей и соответственно время, необходимое на установку. Внедрение прокола в комбинации с безопасным ПЛК и безопасным I/O позволяет системе полностью соответствовать самым строгим актуальным нормам и стандартам безопасности. ПЛК автоматически диагностирует любые ошибки передачи данных, не только делая систему безопаснее, но также сокращая время и силы на устранения неполадок.

Объем поставки

Сенсорный экран с человеко-машинным интерфейсом (HMI)

Экран HMI расположен на панели управления и позволяет оператору контролировать и эксплуатировать электролизер либо с экрана, либо с удаленного соединения, через защищенное соединение VPN. Система мониторинга включает в себя запись данных на компактную флэш карту. Она также позволяет нашим техническим специалистам подключаться к электролизеру, для диагностики и исправления случаев неисправностей и тревожной сигнализации при необходимости.

Исполнение контейнера

ISO 40’ футовый контейнер спроектирован и модифицирован для размещения водородной установки 60 нм³/ч и включает:

  • изолированные стенки и перекрытия
  • пол из металлических листов
  • запираемые двери во внешних стенках
  • Освещение во всех отсеках
  • Все устройства полностью оснащены и установлены на место вкл. трубную обвязку и кабели, что значительно сокращает время и затраты на установку / межсоединения на месте.
  • Два вытяжных вентилятора, которые вытягивают воздух через технологическое помещение из помещения общего назначения. Первый обеспечивает минимальный поток и работает постоянно. Поток проверяется между помещением общего назначения и технологическим помещением и подается аварийный сигнал, если минимум не достигнут.

Второй вентилятор активируется, когда температура окружающего воздуха в технологическом помещении находится вне пределов спецификации или когда обнаружен водород.

Технологический скид

Ключевым компонентов электролизного скида является пакет биполярных ячеек для электролиза воды под давлением. Пакет ячеек состоит из кольцевых электролизных ячеек, в каждой из которых содержатся два электрода и одна щелочная неорганическая ионообменная мембрана.

Генерация h3 и O2 происходит при подаче тока на пакет ячеек. Газы затем направляются на газовый сепаратор, который представляет собой двойной сосуд под давление из нержавеющей стали, после которого они промываются в специально спроектированном напорном сосуде, расположенном над газосепаратором.

Технологическая часть поставляется как полностью собранный скид, в который включено оборудование, например:

  • Пакеты ячеек
  • Газосепарторы, установка промывки газообразного водорода и коалесцирующие фильтры
  • Теплообменники для электролита и системы газового охлаждения
  • Лоток детектора утечек с реле уровня
  • Детектор водорода , панель анализатора для водорода в кислороде
  • Приборы кип и распределительные коробки: датчики, трансмиттеры, реле и т.д.
  • Клапаны и вентиляционные коллекторы (h3 и O2)

Блок управления

Шкаф панели управления включает в себя ПЛК и все соответствующее оборудования для обеспечения автоматической и надежной эксплуатации установки. Панель управления с помощью кабелей будет подсоединена как к технологической части, так и к силовой стойке. Характеристики:

  • Утвержденный электрический кожух с 2 запираемыми дверцами
  • Вентиляторы охлаждения + система фильтрации воздуха
  • ПЛК (Siemens S-7 программное обеспечение)
  • Снаружи: терминал с дисплеем для визуализации и HMI
  • Аварийный останов на дверце кожуха
  • Блок бесперебойного питания для безопасного отключения
  • Источник питания 24 В пост. тока
  • Автоматические выключатели и трансформаторы
  • Печатные платы и звуковая сигнализация

Блок питания

Блок питания конвертирует входящей 3х фазный переменный ток в стабилизированный постоянный ток, требуемый для процесса электролиза.

Каждый блок питания может питать до 2 пакетов элементов и состоит из:

  • Кожух с запираемой дверцей
  • Охлаждающие вентиляторы + система фильтрации воздуха
  • Защитная блокировка дверного переключателя
  • ПЛК контролируется тиристорами
  • Трансформатор
  • Выпрямительный диод
  • Автоматические выключатели, контакторы
  • Измерительный пакет элементов на дверце амперметр и вольтметр
  • Устройство проверки фазы

Система очистки водорода

Система очистки водорода спроектирована для дальнейшей очистки водорода до минимального уровня в размере 99.998%. Данная чистота достигается в 2 этапа:

Этап 1. Деоксидизация: для уменьшения содержания O2 в потоке газообразного h3 с помощью каталитической реакции. Выход O2 в h3 составляет менее 10 ppm или опционально менее 2 ppm.

Этап 2. Осушка: для удаления влажности в 2 колоннах осушки. Одна колонна находится в работе, в то время как вторая находится в режиме резерва / регенерации. Водород на выходе будет иметь атмосферную точку росы менее -60 °C или опционально менее -75 °C.

Система очистка водорода сконструирована на скиде и располагается в технологическом помещении. Система очистки водорода управляется с помощью центрального ПЛК в панели управления и имеет следующие особенности:

  • Сосуд деокисидзации с катализатором для удаления О2 в h3 (с обогревом и изоляцией)
  • Теплообменник
  • Коалесцирующий фильтр
  • Система дренажного сосуда для удаления воды
  • Оборудование КИП
  • Две колонны осушки с молекулярным ситом (с обогревом и изоляцией) (с временной регенерацией)
  • Соединения до контура охлаждения газа
  • Соединение до вентиляционных коллекторов технологической части (h3 и O2)

Холодильник (охлаждение газа)

Холодильник подает охлаждающую воду низкой температуры в замкнутый контур газообразного водорода и кислорода в сторону теплообменников при температуре 15 °C, вне зависимости от температуры окружающей среды. Охлажденная вода охлаждает газообразный водород и кислород, превращая водяной пар, появляющийся в процессе электролиза, в конденсат. Затем он фильтруется и удаляется из потока газа. Холодильник устанавливается внутри кожуха для применения внутри помещения и включает насос и расширительный бак.

Спецификация на чиллер

Система охлаждения электролита

Данная система охлаждения, включающая в себя насосный скид и сухой охладитель, выводит тепло в окружающий воздух.

Охлаждающая вода, как правило, водный раствор этиленгликоль, циркулирует в закрытом контуре, через высокопроизводительный теплообменник по типу «электролит-вода», установленный в технологической части установки производства водорода.

Благодаря системе охлаждения закрытого цикла гарантируется полная выходная способность установки по водороду в диапазоне температуры окружающей среды от -40 до +40°C. Сухой охладитель и насосный скид регулируются с помощью центрального ПЛК в панели управления.

Спецификация на сухой охладитель

Система подготовки питательной воды

Система подготовки питательной воды превращает водопроводную воду в чистую деминерализованную воду, необходимую для процесса электролиза. Осуществляется постоянный мониторинг за качеством воды, прежде чем она сможет поступить в процесс. Размеры ВхШхГ – 1,5х1,0х0,5 м

Система включает в себя такие фильтрационные очистные этапы как:

  • Мембрана обратного осмоса
  • Ионообменная система смешанного типа со смолой (2 резервуара, наполненные смолой)
  • Система смягчения воды с цифровым дозирующим насосом (анти-накипь)
  • Измеритель электропроводности
  • Активированный уголь и предварительные фильтры для улавливания частиц
  • Указатели давления и реле

Спецификация на питательную воду

Техническая спецификация

Вышеуказанные данные представлены только для информации и не могут быть использованы для гарантийных целей.

Общий вид

Дополнительные опции (по запросу)

Улучшение чистоты -75 °C 2ppm O2

Данная опция снижает атмосферную точку росы произведенного h3 с -60 °C до -75 °C, а содержание О2 в произведенном h3 с 10ppm до 2 ppm.

Уменьшенное содержание N2 – распылительный разбрызгиватель

Распылительный разбрызгиватель – это устройство, устанавливаемое на входе деминерализованной воды установки производства водорода для уменьшения содержания N2 менее 2 ppm произведенного h3.

Замер чистоты в режиме реального времени

Производится непрерывный мониторинг произведенного h3 в реальном времени как по содержанию воды («точка росы»), так и по содержанию кислорода. Данная опция может быть выбрана только в сочетании с системой очистки водорода.

Спускной клапан (только в комбинации с системой замера чистоты в режиме реального времени)

Данное устройство автоматически выпускает h3 в атмосферу, в случае если его качество не соответствует спецификации. Данная опция может быть выбрана только в комбинации с системой замера чистоты h3 в режиме реального времени.

Использование кислорода

Стандартно О2 сбрасывается в атмосферу. Производитель может обеспечить опциональную систему для очистки О2 и его подготовки для дальнейшего использования / очистки со стороны заказчика.

Система кондиционирования воздуха на панели управления

Это модульная установка кондиционирования воздуха, устанавливаемая на электропанелях. Данное устройство рекомендовано для систем, часто эксплуатируемых в температурах окруж. среды более +40 °C

Массовый расходомер

Массовый расходомер – это непосредственный замер объема h3, идущего в линию заказчика.

Содержание кислорода в детекторе атмосферы

Трансмиттер кислорода в атмосфере может быть реализован в технологическом помещении для непрерывного мониторинга уровня O2 в атмосфере технологического помещения. Система сигнализации срабатывает, если уровень кислорода падает ниже или поднимается выше безопасных предельных значений.

Автоматический перезапуск

Данная функция позволяет установке непрерывно определять актуальное давление в линии заказчика. Если установка находится в резервном режиме, то с помощью данной функции установка может быть автоматически повторно запущена, как только давление линии заказчика окажется ниже заданного порогового значения.

Опции по каркасу для наружной установки

Низкотемпературная опция:

Будут предприняты специальные действия, чтобы допустить работу при температуре окружающей среды до -40 °C. Например, адоптированная система охлаждения с закрытым контуром и усиленная система обогрева.

Аварийные огни:

В случае отключения сетевого питания аварийные огни в помещении с приборами управления будут светить до 30 минут.

Внешние огни:

Огни снаружи контейнера при входе в помещение с приборами управления / для инженерного оборудования и технологического помещения.

Вентиляционные трубы:

Две трубы из высококачественной нержавеющей стали с колпачками от дождя для безопасной вентиляции h3 и О2. Длина данных вентиляционных труб соответствует спецификации, для каркаса для наружного размещения, который установлен в зоне без прилегающих конструкций. Вентиляционные трубы должны быть вертикально соединены на месте к специально определенным фланцам на боковой стороне контейнера. Кабели обогрева для защиты труб от нулевых температур (точка замерзания) включены в данный объем.

Границы объема поставки

Границей установка электролиза является каркас для наружного размещения. На внешних стенках каркаса для наружного размещения имеются металлические пластины, которые включают следующие соединения:

  • Пользователь водородного газа
  • Вход питательной воды
  • Вход воздуха КИП
  • Вентиляционное отверстие кислорода (вентиляционная линия не включена)
  • Вентиляционное отверстие водорода (вентиляционная линия не включена)
  • Соединение дренажа конденсата
  • Вход инертного газа (азот)
  • Электрические межсоединения: включены внутри контейнера
  • Механические межсоединения: включены внутри контейнера
  • Энергопитание: автоматический прерыватель на стороне электролиза.
  • Охлаждающая вода (2 контура):

Сухой охладитель (охлаждение электролита)

  • Сухой охладитель поставляется в отдельной коробке. Он спроектирован для установки на крыше каркаса для наружного размещения, а объем поставки включает технические условия на крыше контейнера для их установки.
  • Трубка обвязки и кабели для соединения контейнера к внутренней части контейнера включены, но монтаж сухого охладителя на крыше и осуществление соединений на месте осуществляются заказчиком.

Холодильник (охлаждение газа):

  • Холодильник поставляется с полностью выполненными соединениями в каркасе для наружного размещения

Установка водоподготовки:

  • Установка водоподготовки поставляется с полностью выполненными соединениями в каркасе для наружного размещения.

intech-gmbh.ru

Основные способы получения водорода

  1. Альтернативная энергетика
  2. Водородная энергетика
  3. Cпособы получения водорода

Несмотря на множество преимуществ использования водорода в качестве источника топлива, таких как высокая энергоэффективность, экологичность, неограниченность запасов водородная энергетика пока что находится в зачаточном состоянии развития. В первую очередь это связано с тем, что получение водорода в чистом виде довольно дорогостоящий процесс.

Поиск путей решения этой задачи — несколько, и ученые не прекращают разработки в области поиска оптимального способа получения водорода в промышленных масштабах. Если эту задачу удастся успешно решить, водородная энергетика прочно обоснуется в качестве неотъемлемой части общей энергетической системы, а многие проблемы современного человечества уйдут на задний план.

Сегодня существует несколько способов получения водорода в промышленности. Основные из них — паровая конверсия природного газа, газификация угля, электролиз воды, использование специальных ядерной реакторов, использование биосырья.

Получения водорода путем конверсии природного газа

Это способ получения водорода основан на том, что природный газ или метан в присутствии катализатора смешивается с предварительно разогретым до температуры 750-950°С водяным паром.

Больше половины водорода, получаемого промышленным путем в мире, производится способом конверсии природного газа. Стоимость водорода, полученного таким способом находится в пределах 1,8-4,5 $/кг.

В ближайшем будущем рассчитывать на значительное снижение стоимости водорода, полученного из природного газа не стоит, вряд ли цена опустится ниже 1,5 $/кг. Кроме того, запасы природного газа на нашей планете ограничены, что также является проблемой.

Получение водорода на основании способа газификации угля

Данный способ получения водорода заключается в том, что уголь нагревается с водяным паром без доступа воздуха до температуры 850-1300°С.

Преимущества данного способа заключаются в том, что установки для получения водорода таким способом имеют довольно высокую удельную производительность, однако есть и два существенных недостатка — необходимость использования в качестве сырья угля, запасы которого ограничены, и значительное количество углекислого газа, который является продуктом переработки и оказывает негативное воздействие на экологию.

Себестоимость водорода, полученного способом газификации угля находится в пределах 1,9-2,8 $/кг. Как и в случае получения водорода из природного газа, рассчитывать на значительное снижение стоимости водорода, полученного из угля не стоит.

Получение водорода способом электролиза воды

Для получения водорода из воды кроме самой воды требуется значительное количество электроэнергии. Затраты на получение одного килограмма водорода составляют от 5 до 8$.

В будущем возможно снижение стоимости полученного таким способом водорода за счет уменьшения цен на электроэнергию (при условии массового перехода энергосектора на выработку энергии с помощью альтернативных источников — ветровых, солнечных, геотермальных электростанций и т.п.).

Ядерные реакторы для получения водорода

На сегодняшний день разработаны, и уже проходят тестовую эксплуатацию первые модели ядерных реакторов, специально разработанных для получения водорода.

Стоимость водорода, полученного таким способом на данный момент составляет около 2 $/кг. Ядерные реакторы следующего поколения будут более иметь большую производительность, а цена 1 кг водорода может значительно снизится (по прогнозам — вплоть до  1,1 $/кг).

Получение водорода из биомассы

Основным сырьем для получения водорода путем термо- или биохимической переработки биомассы являются отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности (стружка, опилки и т.п.).

При термохимическом способе водород получают благодаря нагреву биомассы до температуры 550-850°C без доступа воздуха. В качестве продуктов реакции получают водород, метан и угарный газ.

При биохимической переработке выработка водорода происходит с помощью специальных бактерий Rodobacter speriodes, которые перерабатывают отходы (в основном используются отходы пищевой промышленности).

Эти два способа получения водорода является довольно перспективным, т.к. в качестве сырья могут выступать возобновляемые источники, а то и вовсе отходы.

Стоимость 1 кг водорода, полученного из древесных отходов на данный момент составляет 4-7$. Водород, полученный из отходов пищевой промышленности несколько дороже, однако эксперты прогнозируют, что в ближайшие годы показатель стоимости удастся снизить до 1-1,5 $/кг в обеих вариантах.

energokeeper.com

Способы получения водорода — Изобретатели России

Существует несколько способов, с помощью которых мы можем получить водород. Однако сразу следует оговориться: распространенное утверждение о том, что водород является «доступным топливом», является несколько преувеличенным, так как водород не существует в природе в чистом виде и поэтому его нельзя просто выкопать из земли как обычные ископаемые (нефть или газ). Мы должны получить (произвести) его из другого основного источника энергии. Итак, давайте рассмотрим и оценим некоторые варианты получения водорода из различных источников.

ЭлектролизНа уроках физики в школе вы наверное видели аппарат Гоффмана. Аппарат Гоффмана имеет резервуар с водой, через который пропускают электрический ток. Электрический ток отделяет водород от кислорода в воде. Пузырьки газа, возникающие от электродов, собираются в отдельные трубки. Стоит заметить, что водорода образуется в два раза больше, чем кислорода. И это не случайно, ведь если мы взглянем на химическую формулу воды (Н2О), то увидим, что водорода в воде действительно больше в два раза, чем кислорода.

В процессе водородного электролиза получается очень чистый водород, так что это идеальный способ. Одним из его недостатков является то, что электролиз потребляет значительное количество электрической энергии, необходимой для самого процесса. Это электричество может быть создано с помощью экологически чистых, возобновляемых источников энергии, или же с помощью атомной энергии, которая хотя не такая чистая, но зато дешевая. Другое дело, что атомная энергия может свести на нет все плюсы чистой водородной энергетики.

БиомассаБиомасса зарекомендовала себя как относительно чистый источник энергии. Сельскохозяйственные отходы, органические вещества, опилки и другие источники биомассы могут быть нагреты в контролируемой атмосфере без присутствия кислорода. Это дает газ — синтетический газ, который насыщен водородом, а также содержит окись и двуокись углерода.

Выбросы углекислого газа из этого источника энергии являются нейтральными, поскольку диоксид углерода будет поглощен из атмосферы в первую очередь растениями. Однако выбросы углекислого газа в процессе производства самой биомассы и в следствии ее транспортировки (поскольку источники биомассы распределены неравномерно) не могут быть проигнорированы.

Преобразование параБлагодаря сочетанию высокой температуры пара и метана, можно извлечь водород из этого ископаемого топлива. Так как это производство сконцентрировано в одном месте, то проблема с диоксидом углерода может быть решена путем его изоляции в отдельных хранилищах (хотя имейте в виду, что это лишь перспективная технология, которая еще не продемонстрировала долгосрочную безопасность). Процесс довольно дешевый и недорогой. Кстати, «излишки» тепла могут быть использованы (когенерация).

Когенерация дает нам небольшое количество тепла, которое могло бы оказаться полезными в местной системе обеспечения отопления. На этот метод действительно возлагают большие надежды, так как он в настоящее время является эффективной и дешевой технологией, которая удачно сочетается с существующей инфраструктурой поставок газа, однако выбросы углекислого газа вызывают беспокойство у экологов.

ФотоэлектролизФотоэлектролиз является относительно новой и перспективной технологией, но еще недостаточно проверенной. Она включает в себя использование солнечной энергии, которая воздействует на кремниевое соединение, похожее на фотогальванический элемент, с тем лишь отличием, что вместо того, чтобы энергия преобразовывалась в электричество, соединения кремния работают непосредственно на воде, где происходит электролиз.

Биологические способы производства водородаЭто довольно интересная и малоразработанная тема. Существует несколько видов водорослей, которые используют фотосинтез для преобразования солнечной энергии в водород. На данный момент эти процессы продемонстрированы в небольших масштабах, но исследования в этой области идут интенсивно. Ожидается, что большой шаг вперед может быть сделан именно в этой области.

www.highbrow.ru

Получение водорода. Водородная энергетика

Водородная энергетика возникла как одна из линий развития НТП в 70-х годах предыдущего столетия. По мере расширения области исследований, касающихся получения, перевозки и хранения, а также использования водорода, становились очевиднее экологические преимущества технологий получения водорода в разных сферах народного хозяйства. Эффективность развития некоторых водородных технологий (топливные элементы, металлогидридные системы, транспортные водородные системы и т.д.) показали, что применение водорода дает совершенно новые качественные показатели в функционировании агрегатов и систем.

Проведенные технико-экономические тестирования показали, что, несмотря на то, что элемент водород – вторичный носитель энергии, то есть он дороже по стоимости, чем природные топлива, его использование в некоторых случаях экономики уже сегодня целесообразно. Поэтому работы в отрасли водородной энергетики в большинстве странах, тем более с развитой промышленностью, считаются приоритетными направлениями развития техники и науки. Они все больше поддерживаются финансами со стороны государства и частного капитала.

Свойства водорода

При нормальных условиях в свободном состоянии водород представлен бесцветным газом, не имеющим и запаха. Водород имеет плотность относительно воздуха 1/14. Обычно он встречается в комбинации с остальными элементами, например, углерода в метане, кислорода в воде, в разных органических соединениях. Поскольку водород чрезвычайно активен химически, он редко находится в несвязанном виде.

Водород, охлажденный до состояния жидкости, занимает 1/700 объема состояния в газообразном виде. При его соединении с кислородом, водород имеет максимально большое содержание энергии на одну единицу массы: 120,7 ГДж/т. Это является одной из нескольких причин, почему водород в жидком виде применяется в качестве ракетного топлива и служит энергетикой для современных космических кораблей, для которой большое удельное содержание энергии водорода и малая молекулярная масса имеет большое значение. В чистом кислороде при сжигании единственные продукты – это вода и тепло высокой температуры. Так, в случае применения водорода не выделяются вредные парниковые газы и даже не происходит нарушение в природе круговорота воды.

Производство водорода

Ресурсы водорода, которые содержатся в воде и в органическом веществе, почти неисчерпаемы. Разрыв данных связей дает возможность для получения водорода, после чего водород применяется для топлива. Разработано множество процессов по разделению воды на составные части.

Вода при нагревании более 2500°С начинает разлагаться на кислород и водород (прямой термолиз). Такую высокую температуру получают, например, при помощи концентраторов энергии солнца. Здесь проблема состоит в том, чтобы не допустить рекомбинацию кислорода и водорода.

Сегодня в мире основная часть получаемого водорода в промышленном масштабе получается в ходе паровой конверсии метана (ПКМ). Таким образом, получение водорода дает возможность применять его как реагент для процесса очистки нефти и в качестве составляющей азотных удобрений и для ракетной техники. Тепловая энергия и пар при температурах 750-800°С необходимы для выделения водорода из углеродной основы в метане, что и случается на каталитических поверхностях в химических реформерах. Самая первая ступень ПКМ процесса разделяет водяной пар и метан на моно оксид углерода, а также водород. На второй ступени в процессе «реакции сдвига» моно оксид углерода и вода преобразуются в водород и диоксид углерода. Данная реакция протекает при 200-250°С.

В СССР в 30-е годы в промышленных масштабах получали синтез-газ благодаря паровоздушной газификации угля. Сегодня в ИПХФ РАН, расположенном в Черноголовке, создается технология для газификации угля в сверхадиабатическом режиме. Данная технология дает возможность преобразовывать энергию тепла угля в тоже тепловую энергию синтез-газа с КПД 98%.

Начиная с 70-х годов предыдущего века, в нашей стране были сделаны и получили научно-техническое объяснение и подтверждение путем эксперимента проекты гелиевых высокотемпературных реакторов (ВТГР) энерготехнологических атомных станций (АЭТС) для черной металлургии и химической промышленности: АБТУ-50, а затем – проект атомной энергетической станции с реактором ВГ-400, мощность которой 1060 МВт для химико-ядерного комплекса по получению водорода и смесей, содержащих его, по выпуску метанола и аммиака, еще несколько проектов в данном направлении.

Базой для всех проектов ВТГР стали разработки ядерных двигателей для ракет на базе водорода. Испытательные высокотемпературные реакторы, выпущенные в нашей стране для данных целей, а также ядерные демонстрационные двигатели для ракет показали работоспособность при нагревании водорода до максимальной температуры 3000К.

Высокотемпературные реакторы на основе гелиевого теплоносителя – новейший тип универсальных экологически чистых атомных энергетических источников, уникальные характеристики которых – способность получать тепло при температурах выше 1000°С и высочайший уровень безопасности – определяют невероятные возможности их применения для получения в газотурбинном цикле электрической энергии с большим КПД и для обеспечения высокотемпературным теплом и электроэнергией производственных процессов получения водорода, технологических процессов нефтеперерабатывающей, химической, металлургической и других отраслей, для процессов опреснения воды.

Самым современным в этой области считается международный проект ГТ-МГР, разрабатывающийся общими стараниями отечественных институтов и компании GA из США. Также с проектом сотрудничают компании Фуджи электрик и Фраматом.

Получение атомного водорода

Источником атомного водорода являются вещества, которые отщепляют атомы водорода при их облучении. В процессе облучения ультрафиолетом, например, йодистого водорода начинает протекать реакция с выделением атомного водорода.

HI + hv® H + I

Для выделения атомного водорода используется термическая диссоциация молекулярного водорода на палладиевой, платиновой проволоке или проволоке из вольфрама, нагретой при давлении меньше 1,33 Па в атмосфере водорода. Разделения водорода на атомы удается достигнуть также, применяя радиоактивные вещества. Есть метод синтеза атомного водорода в электрическом высокочастотном разряде с дальнейшим вымораживанием молекулярного водорода.

Физические варианты способов получения водорода из смесей, содержащих его

Водород в значимых количества имеется во многих смесях газов, в коксовом газе, например, который выделяется при пиролизе бутадиена, в получении дивинила.

Чтобы выделить водород из смесей газов, содержащих водород, применяют физические методы концентрирования и выделения водорода.

Фракционирование и низкотемпературная конденсация. Данный процесс описывается высокой степенью получения водорода из газовой смеси и выгодными экономическими показателями. Как правило, при давлении газа 4 МПа для выделения 93-94%-ного водорода температура должна составлять 115К. При содержании в исходном газе водорода больше 40% степень его получения может достигать 95%. Затрата энергии на концентрирование Н2 70-90% приравнивается к 22 кВт.ч на 1000 м3 получаемого водорода.

Адсорбционное выделение. Данный процесс происходит с помощью использования молекулярных сит, адсорберов, работающих циклически. Его можно реализовывать под давлением, равным 3-3,5 МПа с извлечением до 80-85% Н2 в виде 90%-го концентрата. В сравнении с низкотемпературным способом получения водорода для осуществления данного процесса нужно приблизительно на 25-30% меньше материальных затрат и на 30-40% меньше эксплуатационных.

Адсорбционное производство водорода с использованием жидких растворителей. В некоторых случаях способ подходит для получения водорода в чистом виде. Данный метод позволяет извлекать до 80-90% водорода, который содержится в первоначальной смеси газов, а также достигать его концентрации в конечном продукте до 99,9%. Затраты энергии на получение водорода достигают 68 кВт.ч на 1000 м3 Н2.

Получение водорода путем электролиза воды

Электролиз воды – это один из распространенных и хорошо изученных способов получения водорода. Он гарантирует получение продукта в чистом виде (99,6-99,9% Н2) за одну технологическую ступень. На получение водорода в затратах на производство стоимость электроэнергии составляет около 855.

Данный способ применяется в нескольких странах, которые имеют значительные запасы недорогой гидроэнергии. Крупнейшие электрохимические комплексы располагаются в Индии, Канаде, Норвегии, Египте, но созданы и функционируют множество мелких установок в разных странах мира. Этот способ считается важным еще и потому, что он наиболее универсален относительно применения первичных энергетических источников. В связи с распространением атомной энергетики стал возможен новый расцвет процессов электролиза воды за счет недорогой электрической энергии атомных электростанций. Ресурсы электроэнергетики сегодня недостаточны для синтеза водорода как продукта для дальнейшего использования в энергетике.

Электрохимический метод получения водорода из воды имеет следующие преимущества:

1. Высокая чистота водорода в конечном продукте – до 99,99% и более;

2. Легкость и постоянство технологического процесса, можно автоматизировать процесс, в электролитической ячейке нет движущихся частей;

3. Возможность получения очень ценных дополнительных продуктов – кислорода и тяжелой воды;

4. Неисчерпаемое и доступное исходное сырье – вода;

5. Возможность получения водорода прямо под давлением;

6. Физическое распределение кислорода и водорода в ходе электролиза.

Во всех приведенных примерах получения водорода путем разложения воды побочным продуктом являются большие объемы кислорода. Это открывает новые возможности для его использования. Он сможет найти свое место не только в качестве ускорителя процессов технологии, но и в качестве незаменимого очистителя водоемов. Данная область применения кислорода может распространиться и на почву, атмосферу и воду. Сгорание в кислороде увеличивающихся количеств бытовых отходов поможет решить вопрос твердых отбросов крупных городов.

Еще один ценный продукт электролиза воды – тяжелая вода – прекрасный замедлитель нейтронов во всех атомных реакторах. Данная тяжелая вода может применяться в качестве сырья для синтеза дейтерия, который служит материалом для термоядерной энергетики.

zeleneet.com

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 25000 С 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 750-8500 С 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 200-2500 С.

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 10000 С 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 h3 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% h3 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 h3. 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 h3 .

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% h3 ) 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.

mirznanii.com

Способы получения водорода | Сварка и сварщик

Технический водород получают в промышленности:

  • электролизом воды;
  • методом глубокого охлаждения газовых смесей, содержащих водород;
  • железо-паровым способом;
  • из водяного газа путем окисления содержащейся в нем окиси углерода водяным паром в присутствии катализатора;
  • в специальных водородных генераторах воздействием серной кислоты на железную стружку и цинк.

На первых порах источником для получения водорода служили кислоты. Так и в наше время в лабораториях часто получают его средневековым способом - действием цинка на серную кислоту. Реакция протекает по уравнению:

Zn + h3SO4 = ZnSO4 + h3

Вместо цинка можно взять железо в виде стружек или алюминий. Водород получается, загрязненный побочными продуктами разложения серной кислоты, и, если это требуется, его приходится очищать.

Огромные количества водорода, необходимые современной промышленности, получают сейчас электролизом раствора щелочи и извлекают из промышленных газов - коксовальных печей, газов, получаемых при переработке нефти и др.

При переработке каменного угля на кокс дополнительно получается деготь и коксовый газ. В состав газа входит до 50-60% водорода (h3), 20-25% метана (СН4), окись углерода (СО), азот (N) и др.

В статье «Гелий - солнечный газ» описан процесс получения гелия методом фракционной конденсации. Так же поступают и с коксовым газом. Но чтобы отделить водород от других составных частей, требуется очень глубокое охлаждение из-за низкой критической температуры водорода.

Наиболее широко распространенным способом получения водорода является - электролиз дистиллированной воды. В результате чего получают водород, кислород и некоторые примеси.

Единственным исходным сырьем для получения водорода электролитическим методом служит вода. Чистая, дистиллированная вода обладает огромным сопротивлением и почти совершенно не проводит электрический ток. Вот почему для того чтобы сделать воду электропроводной, в ней нужно растворить какую-нибудь соль, кислоту или основание, которые дают ионы.

Через водный раствор щелочи (например: каустическая сода) пропускают постоянный электрический ток. При этом вода разлагается, и на отрицательном электроде (катоде) выделяется водород, а на положительном электроде (аноде) - кислород, также являющийся важным промышленным продуктом. В результате получения 2 м3 водорода, как побочный продукт получается 1 м3 кислорода. Большой расход электроэнергии является главным недостатком данного способа, поэтому применение водорода полученного при помощи электролиза целесообразно при одновременном использовании вместе с кислородом. В связи с этим в последнее время портативные водородные сварочные аппараты для газовой сварки и пайки пользуются все большей популярностью.

weldering.com