ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2010, том 44, № 1, с. 21-30
УДК 544.452.14
ГЕНЕРАТОР СИНТЕЗ-ГАЗА И ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ РАДИАЦИОННОЙ ГОРЕЛКИ
© 2010 г. В. С. Арутюнов, В. М. Шмелев, |И. Н. Лобанов, Г. Г. Политенкова
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва arutyunov@center.chph.ras.ru Поступила в редакцию 16.07.2008 г.; после доработки 24.11.2008 г.
Показана возможность конверсии метана в богатых метано-воздушных смесях в синтез-газ в режиме устойчивого поверхностного горения в объемной проницаемой матрице в радиационном поле запертого инфракрасного излучения. Предложено использовать горение углеводородов в объемной проницаемой матрице в качестве простого и компактного генератора синтез-газа и водорода.
ВВЕДЕНИЕ
Широкое использование природного газа и водорода в энергетике, на транспорте и в качестве сырья для химической промышленности является одной из главных современных технологических тенденций. В настоящее время мировые мощности по производству водорода оцениваются в 100 млн тонн в год. Подавляющую часть водорода получают в процессах конверсии природного газа и угля в синтез-газ, а также в процессах риформинга и других нефтеперерабатывающих и нефтехимических процессах [1]. Но по мере снижения значения рифор-минга и возрастания роли гидрогенизационных процессов при переходе к новому поколению экологически чистых высокооктановых моторных топлив с низким содержанием ароматических соединений и серы, нефтехимия из поставщика водорода все в большей степени сама превращается в его потребителя. В то же время прогнозируется быстрый и значительный рост потребления водорода и синтез-газа в других областях. Например, потенциальный рынок только метанола оценивается в 800 млн т/г, что в 20 раз превышает его нынешнее мировое производство [2]. Поэтому к 2050 г. ожидается рост производства водорода до 400 млн тонн. А полное замещение потребляемых в мире углеводородных моторных топлив (примерно 2 200 млн т) на водород потребовало бы почти 700 млн тонн водорода.
С экологической точки зрения привлекательно использование водорода на автотранспорте для питания двигательных установок на основе бортовых топливных элементов, коэффициент полезного действия которых достигает 55%, что почти вдвое превышает коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания [3]. Но на пути практической реализации этого стоят две серьезные проблемы: необходимо увеличить емкость бортовых систем хранения водорода до 5—7 кг и создать экономичную инфраструктуру его производства и распределения. При этом производство должно быть мак-
симально приближено к точкам потребления с тем, чтобы избежать транспортировки на значительные расстояния и хранения больших объемов водорода, так как его ежесуточные потери составляют около 5% даже при хорошей теплоизоляции. Поскольку расстояние между заправочными станциями в городских зонах не должно превышать 3.2 км, а на автомагистралях — 40 км [3], то помимо тысяч заправочных станций потребуются расположенные вблизи от них или непосредственно включенные в их состав установки получения водорода.
Активно выступающий за использование водорода на транспорте Департамент энергетики США (DOE) определил в качестве первоочередной цели снижение его цены для конечного потребителя до 2—3 долл./кг В среднем на каждой автозаправочной станции ежесуточно обслуживается 150—170 автомобилей, поэтому потребуются сотни эффективных автономных установок с производительностью по водороду на уровне 1500 кг/сутки [4].
Существующие промышленные методы получения водорода на базе паровой или парокислородной конверсии природного газа из-за технологической сложности и высокой энергоемкости вряд ли смогут претендовать на значительную роль в таком рассредоточенном производстве водорода. В технологических процессах на базе водорода и синтез-газа их доля в стоимости конечной продукции превышает 60% всех затрат, а приемлемый уровень рентабельности достигается только при гигантских масштабах производства — от 1 млн т/г. и выше [5]. Другие известные методы, включая электролиз и использование альтернативных источников энергии, дают в несколько раз более высокую себестоимость получаемого водорода и в промышленности практически не применяются [6].
Паровую или парокислородную конверсию природного газа трудно представить в качестве источника водорода даже для стационарных автономных источников энергоснабжения, которые, по прогнозам,
Рис. 1. Схема экспериментального стенда: Р — ротаметры, СГ — счетчики газовые.
в ближайшем будущем будут играть большую роль в энергетике. Тем более трудно представить себе успешное развитие на их основе водородной энергетики на транспорте. Такая ситуация заставляет интенсивно искать новые пути получения водорода и синтез-газа. В последние годы было предложено несколько процессов, основанных на конверсии природного газа в различных энергетических установках: двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах, модифицированных реактивных двигателях [7]. Несмотря на определенные успехи, сложность этих технологий пока не позволила ни одной из них выйти на промышленный уровень.
В настоящей работе рассматривается возможность получения синтез-газа и водорода на основе конверсии природного газа при его поверхностном горении в трехмерной проницаемой матрице в условиях запертого инфракрасного излучения. Горение на поверхности обычной плоской проницаемой матрицы реализуется при переносе тепла от фронта пламени к поступающей смеси путем радиационного и конвективного теплопереноса по цепочке пламя—матрица—исходная смесь. При этом раскаленная поверхность матрицы является источником интенсивного инфракрасного излучения. Такая схема горения обеспечивает существенное снижение температуры фронта пламени и, соответственно, уменьшение концентрации окислов азота в продуктах сгорания. Однако при этом происходит значительное сужение пределов горения из-за дополнительных потерь на излучение. Новые возможности поверхностного горения открываются при использовании глубоких объемных (трехмерных) матриц [8—10]. В этом случае горение происходит в полости матрицы в условиях частично или почти полностью запертого ИК-излучения, что позволяет если и не исключить полностью, то, по крайней мере, многократно снизить радиационные потери и тем самым существенно расширить пределы горения. Эксперимент под-
тверждает расширение пределов как в область бедных, так и в область богатых смесей [11].
В объемной матрице, изготовленной из пористого материала — керамики или металла — фронт пламени может быть зафиксирован как над излучающей поверхностью внутри полости матрицы, так и под поверхностью в теле матрицы. При этом параметры процесса — состав смеси и температура горения — могут регулироваться в очень широких пределах при сохранении устойчивости горения, что невозможно осуществить в обычных условиях. Ранее этот подход использовали для создания эффективных газовых горелок с низким удельным расходом топлива и низким выходом оксида углерода [8—10].
Целью настоящей работы является демонстрация возможности получения высокого выхода Н2 и СО при конверсии метана в полости объемной сотовой матрицы в условиях запертого инфракрасного излучения и оценка перспектив применения такого устройства в качестве простого автономного источника синтез-газа и водорода.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Схема экспериментального стенда показана на рис. 1. В работе использовали сетевой газ, а в качестве окислителя — воздух. Расход горючего и окислителя устанавливали по показаниям ротаметров и затем более точно измеряли газовыми счетчиками. После смесителя однородная газовоздушная смесь заданного состава поступала в радиационную горелку с глубокой трехмерной матрицей (рис. 2).
Основная часть экспериментов выполнена на горелке с матрицей, внутренняя полость которой представляла собой прямоугольный параллелепипед с основанием 80 х 40 мм и высотой 115 мм, ограниченный стенками, дном и крышкой из перфорированной керамики толщиной 15 мм, пронизанной цилиндрическими каналами диаметром 1.2 мм. Отношение суммарной площади сечения каналов к об-
щей площади поверхности (пористость) составляло у = = 0.25. Работали с горелками с открытой или закрытой сверху перфорированной керамической крышкой 5 полостью. Расход воздуха через горелку в большинстве экспериментов составлял 31—36 л/мин. Все эксперименты проведены при атмосферном давлении. Хромель-алюмелевыми термопарами измеряли температуру рабочей поверхности матрицы и продуктов сгорания внутри полости горелочного устройства.
Продукты конверсии для анализа отбирали непосредственно из полости горелки в шприцы объемом 5 см3 через капиллярную трубку из нержавеющей стали. Анализ продуктов проводили на хроматографе "ЛХМ-8". На колонке с молекулярными ситами NaX длиной 3 м определяли водород, СО, компоненты воздуха и углеводороды; на колонке с Порапаком^ длиной 2 м определяли СО2 и этилен. Температура колонок 50°С, газ-носитель — Дт.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Основная величина, определяющая температуру и характер протекающих в горелке процессов химической конверсии — значение коэффициента избытка окислителя а = [О2]0/2[СН4]0, показывающее отклонение состава смеси от стехиометрического соотношения. Если в энергетических установках для более полного использования химической энергии топлива и снижения эмиссии экологически вредных продуктов его неполного сгорания, как правило, стремятся сжигать топливо при величинах а > 1 (сте-хиометрические и бедные смеси), то для получения химических продуктов, таких как синтез-газ и водород, необходимо проводить процесс при а < 1 (богатые смеси). Наименьшие значения а, при которых в условиях данной работы и при данной конструкции горелочного устройства удавалось добиться устойчивой работы горелки на воздухе и получать хорошо воспроизводящиеся результаты, были а = 0.35—0.37.
Эксперименты по измерению температуры показали, что при варьировании параметра а от 0.35 до 1 температура поверхности матрицы изменялась от 350 до 650°С с максимумом при а « 1. При а = 0.4 она близка к 400°С (рис. 3)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.