Водородные технологии в промышленности

Размещено на http://www.allbest.ru/

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, древесины, угля, природного газа. 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.

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. Отметим попутно, что на наших глазах становится реальной одна из гениальных догадок великого фантаста Жюля Верна, который устами героя романа «Таинственный остров» заявляет: «Вода - это уголь будущих веков».

Водород, получаемый из воды, - один из наиболее энергонасыщенных носителей энергии. 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 в 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).

После двухступенчатой конверсии метана, если водород предназначается для синтеза аммиака, в конвертированном газе кроме водорода (57%) и азота (22,4%) содержатся оксид углерода 13,4% и диоксид углерода 7,7% (объёмн.).

Оксид углерода далее превращается в водород и диоксид углерода в системе паровой конверсии. Паровая конверсия оксида углерода до водорода проводится в две ступени. Первая ступень конверсии осуществляется при температуре 330 - 400 oС на железо-хромовом катализаторе, при этом на выходе из конвертора первой ступени содержание оксида углерода в конвертированном газе падает до 3,3% (объёмн.), и с таким содержанием оксида углерода газ, пройдя через испаритель, вступает во вторую, низкотемпературную ступень конверсии. Здесь на низкотемпературном катализаторе конверсии, содержащем оксидные соединения меди, цинка, алюминия, хрома, при температуре 190-210 оС  происходит доконверсия остаточного оксида углерода до его содержания на выходе из конвертора 0,4 - 0,5 %. Далее газ поступает на очистку углерода различного рода поглотителями. Так в промышленных условиях получают чистый водород и азото-водородную смесь.

Получение водорода - будущая технология

Современная технология обеспечивает ежегодное получение во всём мире десятков миллионов тонн молекулярного водорода. Более 90% его получается каталитической конверсией метана, жидких углеводородов, газификацией твёрдого топлива. Совершенно ясно, что в будущем при переходе на водородную технологию такие источники получения водорода, кроме твёрдого топлива, будут в основном исключены. В качестве основного источника сырья будет использоваться вода. В качестве источника энергии для разложения воды - атомная энергия в различных её видах (тепло, электроэнергия) и энергия воды, ветра в виде электрической энергии, энергия солнечного излучения. Электролиз воды проводится в промышленной практике давно и широко описан в литературе. Сейчас делаются значительные усилия в научной промышленности, чтобы использовать неисчерпаемую энергию солнечного излучения для разложения воды. Это и применение фотолизных ячеек для разложения воды, солнечных ячеек для получения электроэнергии с последующим её использованием при электролизе воды. Главная задача, которая здесь решается, заключается в том, чтобы провести под непосредственным воздействием солнечной энергии ряд фотохимических реакций с целевым назначением разложения воды до водорода  кислорода. Суть проблемы заключается в том, чтобы подобрать такие биологические системы, которые будут использовать солнечную энергию для разложения воды.

Но наиболее в технологическом плане являются методы термохимического разложения воды. Эти методы важны тем, что для разложения воды они могут использовать и тепло атомных реакторов,  солнечное тепло, и тепло геотермальных вод, и любые другие виды тепла, например перепад температур верхних и нижних слоёв тропических морей. Разрабатываются и комбинированные термохимические процессы, которые наряду с теплом используют электрическую энергию - термоэлектрохимические процессы, солнечное излучение, фото- и термохимические процессы. Термохимические процессы разложения воды привлекательны ещё и тем, что в результате целого ряда химических превращений, протекающих в термохимическом цикле (системе), из цикла в окружающее пространство ничего, кроме водорода и кислорода, не выделяется. Все химические процессы, сопровождающие разложение воды, находятся в закрытом циркуляционном контуре. В этот контур подводятся только вода и тепло (высокопотенциальное), от контура отводятся водород, кислород и тепло (низкопотенциальное).

Сколько получают водорода и для каких целей?

Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.

Где же в настоящее время используется такая масса водорода? Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака. Во-вторых, для получения метанола из СО и Н2, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности  для очистки нефти от сернистых соединений, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, в металлургии для восстановления руд черных и цветных металлов, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике, в ряде производств. В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых (гидрирование и гидрогазификация твердых топлив).

Роль водорода и водородной технологии в кругообороте веществ в природе

В настоящее время связанный углерод в виде природного газа, нефти, твёрдого горючего (древесины, торфа, каменного угля) активной человеческой деятельностью в промышленности, на транспорте и в быту переводится в энергетические тупики - залежи карбонатных пород. Общее промышленно выделение СО2 в атмосферу с каждым годом возрастает. Возвратить эту огромную массу связанного углерода, исчисляемую десятками миллиардов тонн, в кругооборот веществ в природе - одна из важнейших задач водородной технологии. Именно водородная технология разработала ряд путей для достижения этой цели. В основе этой технологии лежат процессы гидрирования СО2 до метана, метанола, жидких углеводородов.

В долгосрочной перспективе диоксид углерода при наличии мощных источников дешёвого водорода может стать главным, а возможно и единственным сырьевым источником промышленного органического синтеза. При этом, вероятно, найдут применение как обычные химические, каталитические процессы, так и фотохимические и биохимические методы. Здесь необъятный простор для творчества всех степенях науки. Основным компонентом новой системы органической технологии на база СО2 является наличие мощной водородной технологии. Превратить СО2 атмосферы, а если потребуется и часть осадочных карбонатов земной коры в источник углеводородов - крупнейшая задача химии XXI века.

Внимание, водород!

Говоря о водороде, его широком использовании в быту, промышленности, на транспорте, нельзя забывать и о его взрыво- и пожароопасных свойствах. Недостаточная подготовленность и нестрогое выполнение правил при использовании водорода может привести к трагедиям, гибели людей.

При изучении в школе водорода как химического элемента необходимо осветить и его большое будущее в нашей жизни. На уроках химии следует подготавливать учащихся к обращению с ним при его получении и использовании. Нужно призывать их к большой осторожности и вниманию при работе с водородом. Каждый учащийся должен знать пределы его воспламенения и взрываемости в воздухе, в кислороде, энергию воспламенения, правила хранения и техники безопасности при обращении с водородом как газообразном, так и в жидком состоянии.

Проблемы получения энергии

Сейчас на человечество надвигается энергетический  кризис, и пока официальная наука с прискорбием сообщает, что нет альтернативы традиционным источникам энергии - уголь, нефть, газ.

Огромную часть энергии дают нам АЭС и ГЭС. Поговорим об АЭС. На них используется энергия, получающаяся в результате расщепления атомного ядра. Но год назад Владимир Машков в своих исследованиях предложил расщеплять не тяжелые атомы, а легчайшие элементарные частицы.

Водородные двигатели

Водород - очень перспективный энергоноситель, позволяющий одновременно решить сложные экологические проблемы. При его сгорании (быстро протекающей экзотермической реакции окисления кислородом) получаются лишь вода и тепло. Да, образуются еще окислы азота, количество которых зависит от температуры сгорания смеси в цилиндре двигателя. И здесь важно, что в водородных двигателях температура сгорания топлива на режимах городской эксплуатации существенно ниже, чем в углеводородных (бензиновых, спиртовых, метановых, пропан-бутановых и т.д.).

Очевидно, что если под "водородным двигателем" понимать электрический, получающий энергию от реакции соединения водорода и кислорода в топливных элементах, то окислов азота не будет совсем. А углеводородное топливо "поставляет" при сжигании целый букет токсичных соединений, среди которых сажа - далеко не самая вредная.

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте -- сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) -- существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника).

Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".

BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ").

Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание.

Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика.

Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.

Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси.

И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.

Заключение

водород промышленность топливо энергия

В результате написанной работы мы очень много узнали о таком важном, незаменимом, и интереснейшем веществе на нашей планете, как водород. Сколько бесценной информации уже смогли открыть учёные, изучая его, и сейчас, остаётся только гадать, что ещё можно открыть и узнать.

В прошлом году я писала работу по экологической химии, касающейся адсорбции в процессах очистки природных и сточных вод. Я говорила о применении новых технологий в чистке водоёмов. В моей теперешней работе я больше затрагиваю не гидросферу, а атмосферу. Если в нашей, да и во всех других странах, во всём мире, частенько возникают вопросы, что же делать с загрязнённой атмосферой, то почему нам не обратиться к такому аспекту, и не сделать акцент на том, чтобы её попросту не загрязнять.

Разумеется, это не возможно. Невозможно прекратить работу химической и других видов промышленности и применения современных технологий  в сельском хозяйстве, агитируя и объясняя это  только лишь тем, что мы боремся за чистоту воздуха. Но мы этого и не требуем

Но посмотрите, чем мы дышим, посмотрите, сколько выхлопных газов, разнообразных вредных веществ существует в атмосфере только лишь благодаря тому, что в мире распространено такое явление как автомобили. И если есть возможность предотвратить  попадание этих опаснейших веществ в атмосферу, то  почему мы этого до сих пор не сделали, почему это не сделали не мы, а те, кто этим должен заниматься? Куда смотрит наше здравоохранение? 

Написав эту работу, я узнала, что у нашего мира ещё есть возможность хоть как то наладить экологическую обстановку, но захотят ли это сделать остальные, и будет ли им интересны дальнейшие разработки учёных этой отрасли, которые, поскольку тоже являются людьми этой планеты имеет прямую заинтересованность в этом вопросе.

Водород? Что такое водород? Простой элемент? Элемент, который имеет только лишь ряд особенностей, который только лишь немногим отличается от других?

Нет, как мы видим из всех доказательств, приведённых в работе, по тому, что мы узнали, мы теперь уверены, что водород - это не просто элемент, водород - это чудо, и сейчас его не без оснований называют чудесным топливом будущего.

Размещено на Allbest.ru