повышение эффективности
энергоустановок с эхг и гидролизными системами
éehepfiuàà boûopoûfi
в
ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Кандидат технических наук И. Н. ГЛУХИХ, А. Н. СТАРОСТИН, В. Ф. ЧЕЛЯЕВ
статье рассматривается энергоустановка (ЭУ), генерирующая электричество с помощью кислородо-водо-родных топливных элементов. При этом водород образуется в ходе экзотермической реакции гидролиза алюминия в водном растворе едкого натра. Предлагается способ повышения эффективности такой ЭУ в результате того, что за счет тепла реакции параллельно с водородом получается водяной пар. Для этого гидролиз проводится в адиабатических условиях, а пар служит рабочим телом для турбины, которая, в свою очередь, выступает промежуточным согласующим элементом между электрохимическим генератором (ЭХГ) и химическим реактором, в котором проходит гидролиз. Предлагаемое решение позволяет получить дополнительно "возвращаемую" энергию ~ 20-30% от энергии, гене-„ рируемой ЭХГ.
о
0 сч
- Введение
к
1 Метод получения водорода путем ги-| дролиза с применением легких метал-£ лов (Мд, А1 и др.) известен уже около ста | лет. В этом методе может участвовать
со
^ как чистая вода, так и водные растворы | сильных электролитов, в частности ще-| лочей. Метод привлекателен своей тех-£ нологической простотой и возможностью применения недорогих реагентов. I Водород использовался обычно при рез-^ ке и сварке металлов либо как химический реагент для технологических процессов в металлургической, химической
2
или пищевой промышленности. В начале прошлого века так же получали водород для наполнения дирижаблей.
В последнее время определенный интерес к "гидролизному" методу получения водорода проявляется в связи с разработкой энергоустановок с кислородо-водородными электрохимическими генераторами. В этом случае генерируемый водород служит в качестве горючего для топливных элементов, которые находят все более широкое применение в современных системах электропитания, в том числе в транспортных средствах.
Использование реакции гидролиза в последнем случае сопряжено с определенными техническими трудностями, основной из которых является большой тепловой эффект этих реакций. Сравнительно невысокий уровень температур, при которых идет гидролиз (несколько сотен градусов), затрудняет превращение выделяющегося тепла в электроэнергию. В результате большая часть химической энергии исходных реагентов остается недоступной, а тепло приходится выбрасывать в окружающую среду. Это снижает общий КПД преобразования химической энергии реагентов в реагирующей смеси в электрическую, а средства, применяемые для контроля за ходом реакции, требуют для своей работы определенных энергозатрат, что также снижает эффективность энергоустановки такого типа. В результате, несмотря на большой КПД ЭХГ, эффективность
© И. Н. Глухих, А. Н. Старостин, В. Ф. Челяев
ЭУ с гидролизными системами получения водорода оказывается невысокой.
Некоторые особенности реакций гидролиза с применением алюминия
Для гидролиза подходят практически все металлы первых четырех групп периодической системы, однако на практике применяются лишь наиболее дешевые и распространенные из них, в частности - алюминий.
Алюминий может разлагать воду как самостоятельно, так и с помощью щелочей, растворяющих его защитную окис-ную пленку. В первом случае гидролиз проходит при достаточно высокой температуре, и в результате образуется нерастворимая гидроокись алюминия:
А1 + 3Н20 ^ А!(0Н)3^ + 2 Н2 + 02Т.
Кроме того, реакция алюминия с водным паром начинается при нагревании до температуры ~500°С, что сопровождается существенными энергозатратами. Все это делает рассматриваемую реакцию мало подходящей для автоматических ЭУ транспортных систем. Помимо этого, как видно из уравнения реакции, в ней освобождается лишь половина водорода, содержащегося в воде, что также невыгодно для ЭУ с ЭХГ.
Более приемлемым является гидролиз алюминия в водном растворе щелочи:
А! + №0Н + Н20 ^ №А!02 + 2 Н2Т.
Поскольку щелочь растворяет окис-ную пленку на поверхности алюминия, разогревать реагенты до высокой температуры становится ненужным - бурное выделение водорода происходит уже при температурах, не превышающих 100°С. В этом случае освобождается весь водород, содержащийся в исходных реагентах (Ыа0Н и Н20), а образующийся алюминат натрия остается растворимым в отработанном слабощелочном растворе. Все это делает более целесообразным и технологически оправданным использование именно этой реакции для генерирования водорода, предназначенного для энергоустановок с электрохимическим генератором.
В обеих рассматриваемых реакциях выделяется большое количество тепла, что является существенным недостатком для транспортных ЭУ. В стационарных условиях это тепло направляется обычно в системы теплоснабжения, например для отопления помещений. В транспортных же ЭУ с ЭХГ определяющим фактором является количество получаемого водорода, а тепло практически не утилизируется.
Характерной особенностью гидролиза алюминия в водном растворе едкого натра является, как отмечалось выше, возможность образования жидких продуктов реакции, представляющих собой раствор алюмината натрия в слабощелочной водной среде. Как показали лабораторные испытания, проведенные при давлениях 1 и 12 ата, температура кипения такого отработанного раствора с точностью до нескольких процентов совпадает с температурой кипения исходного 30%-ного раствора Ыа0Н и приблизительно на 20° превышает температуру кипения чистой воды при тех же давлениях. В табл. 1 приведены экспериментальные значения температуры кипения веществ, участвующих в реакции. В табл. 1 дается также оценочное значение температуры кипения растворов при давлении 20 и 30 ата, рассчитанное исходя из этих данных и справочных данных о температуре кипения воды при высоких давлениях.
В предлагаемом техническом решении температура кипения жидкостей, участвующих в гидролизе, имеет важное 55 значение, поскольку во многом опреде- 8 ляет характеристики некоторых агрега- г тов ЭУ. |
ц
о *
Система подачи водорода |
и оценка ее основных |
рабочих параметров ^
ЭХГ традиционно является конечным | звеном в цепи преобразования химичес- §
кой энергии реагентов в электричество. 1 При этом ЭУ с ЭХГ содержат, кроме не- | го, как правило, лишь служебные систе- " мы и агрегаты, обеспечивающие функционирование ЭХГ, в частности системы
Таблица 1
Температура кипения веществ, участвующих в реакции гидролиза алюминия в водном растворе
Давление 1 ата 12 ата 20 ата 30 ата
Реагент Эксперимент Прогноз
Вода Исходный 30%-ный раствор ЫаОН Отработанный раствор ЫаДЮ2 100°С ~115°С 115-118°С 190°С 210-220°С ~220°С 210°С 230-240°С ~240°С 233°С 250-260°С ~260°С
хранения и подачи компонентов топлива (кислорода и водорода).
Если водород для ЭХГ получают гидролизом, то одним из основных агрегатов ЭУ является генератор водорода, представляющий собой химический реактор со своими собственными системами обслуживания. В число последних входит обычно и система охлаждения, позволяющая контролировать ход реакции гидролиза и, соответственно, производительность генератора по водороду. Избыточное тепло, отдаваемое генератором водорода, обычно сбрасывается в окружающую среду, а на это расходуется определенное количество энергии. Таким образом, значительная часть химической энергии исходных реагентов не только бесполезно теряется, но и требует для своей утилизации дополнительных затрат энергии, вырабатываемой за счет генерируемого водорода. 3 Между тем можно обратить тепловой § эффект реакции гидролиза на пользу г ЭУ и не тратить вырабатываемую энер-§ гию на охлаждение генератора водоро-§ да. Для этого генератор должен быть £ "адиабатическим", то есть не иметь сис-I темы охлаждения. Дополнительно его £ можно теплоизолировать. В этом случае | тепло может "покинуть" такой "адиаба-| тический" генератор водорода (АГВ) § только вместе с генерируемым водоро-1 дом и жидкими продуктами реакции. | Удельная энергия выходящего из АГВ " газа будет при этом существенно выше.
На практике из АГВ вместе с водородом выходит также большое количество
водяного пара, который главным образом и "выносит" тепловую энергию, то есть АГВ по сути становится генератором паро-водородной смеси. Ее температура равна температуре водяного раствора, кипящего внутри АГВ. При этом вместе с кипением жидкости происходит также и химическая реакция, в ходе которой образуется водород, тепло же реакции поддерживает кипение раствора, поскольку генератор водорода является "адиабатическим". Температура в АГВ стабилизируется на уровне температуры кипения водяного раствора при рабочем давлении АГВ (табл. 1).
Полученная в АГВ паро-водородная смесь по своим характеристикам (влажность, температура) совершенно не пригодна для ЭХГ. Чтобы выделить из нее водород и охладить его, целесообразно использовать газорасширительную машину, проще всего - газовую турбину. Попадая на лопатки турбины, паро-водо-родная смесь, поступающая из АГВ, ади-
Рис. 1.
Блок-схема подачи водорода.
абатически расширяется и охлаждается, а содержащаяся в ней вода конденсируется. Одновременно совершается механическая работа (например, турбина может приводить в действие электрический генератор или насос). Основной задачей при этом является подбор характеристик турбины, обеспечивающих необходимые параметры водорода (давление, температура, расход) на входе ЭХГ.
В данном случае газовая турбина представляет собой своеобразный "согласующий" элемент между эХг и АГВ на линии подачи водорода. При этом турбина является вторым (после ЭХГ) активным агрегатом ЭУ, способным вырабатывать энергию, и при работе не нуждается в энергозатратах. Это повышает эффективность работы ЭУ и дает возможность генерировать не только постоянный, но и переменный электрический ток без каких-либо электрических преобразователей.
Блок-схема системы подачи водорода приведена на рис. 1, на котором обозначены ориентировочные значения параметров газового потока.
Оценка параметров газового потока проводилась, исходя из рабочих характеристик ЭХГ "Фотон". Исходные данные, принятые в расчетах, а
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.