Водород как производят – технологии и перспективы в России

Содержание

Производство и добыча водорода как источника водородной энергии

Со школьных уроков химии и физики известно, что энергия водорода сосредоточенная в этом газе довольно значительна. Искры достаточно, чтобы воспламенить смесь нормального воздуха и водорода полученного в результате опыта на школьных уроках.

В отличие от многих других процессов горения, продукт реакции абсолютно безвреден с экологической точки зрения, поэтому люди изучают промышленное производство и энергию водорода.

Так как человечеству необходимы все больше энергии чистая водородная энергия пришлась бы кстати.

Топливные элементы могут генерировать столь востребованную электроэнергию из этого газа. Неудивительно, что многие люди с видением глобальной водородной экономики видят в этом решение наших текущих климатических проблем.

Энергия  водорода  может в то же время помочь нам избавиться от загрязнения воздуха, кислотных дождей и других экологических проблем, вызванных другими источниками.

Жюль Верн увидел потенциал энергии  водорода  еще в 1874 году в романе  «Таинственный остров», и вопрос в том, почему процветающая водородная промышленность еще не развилась.

Ответ прост: этот газ не встречается в природе в чистом виде и нужно преобразование энергии. Энергетика и комплекс технических процессов необходим прежде чем его можно выделить и использовать как водородную энергию.

Отделение до чистого водорода делает его дорогим, а некоторые производственные процессы даже приводят к высоким выбросам парниковых газов.

Но даже если водородная промышленность еще только на чертежной доске, вторичная энергия водорода все еще интересна как альтернативный источник для некоторых областей применения.

Что  представляет первый элемент периодической системы

Водород является наиболее распространенным компонентом в нашей Солнечной системе и имеет около 75% массы и более 90% всех атомов. Наше Солнце и большие газовые планеты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун состоят в основном из этого газа. На Земле этот газ встречается гораздо реже. Его доля в общем весе Земли составляет только около 0,12%. Хотя водород чаще встречается в земной коре, его практически нет в чистом виде. Он почти всегда химически связан и наиболее частым соединением является вода.

Водород – самый маленький и легкий атом. Как чрезвычайно легкий газ, он был использован для наполнения газовых баллонов дирижаблей жесткой формы как Цеппелины, в течение первой половины девятнадцатого века. Катастрофа в Гинденбурге в США в 1937 году, где предположительно произошел электростатический заряд который вызвал возгорание, положил трагический конец перспективам использования водорода в дирижаблях.

Основное применение водорода сегодня находится в химической промышленности. В качестве источника энергия водорода в настоящее время широко используется, в основном, в авиационном и космическом секторе.

Водород как источник энергии используется для привода реактивных двигателей самолетов.

В космических полетах жидкий водород используется в качестве ракетного топлива. Например,  запуск космического челнока потребляет около 1,4 млн литров жидкого водорода весом более 100 тонн создавая температуру горения до  3200° C.

Производство

Водородная энергетика использует несколько способов производства водорода.

Газ сначала должен быть получен в чистом виде, прежде чем энергия из него может быть получена. Это требует легкодоступного недорогого сырья, содержащего этот химический элемент. Кроме воды (H2O), которая состоит из водорода (H) и кислорода (O) могут быть применены смеси углерода. Это в первую очередь природный газ или метан (CH4). Мазут и уголь также состоят из водорода (H) и углерода (C), но имеют гораздо более высокую долю углерода, чем природный газ.

Из углеводородов

Современные промышленные методы получения водорода почти исключительно используют ископаемые  топливо, как природный газ, сырую нефть или уголь, как сырье. Такие методы, как паровой риформинг или частичное окисление паром для получения водорода из ископаемых углеводородов. Этот процесс химически отделяет углерод который после этого превращается в окись углерода (CO). Эти методы добычи водорода не являются идеальным вариантом с целью активной защиты климата.

В основном, упомянутый способ производства водорода из ископаемых  источников работает при высоких температурах обработки. Это требует большого количества внешних ресурсов.

Поэтому для получения водорода необходимы другие методы, с тем чтобы он был экологически чистым и безопасным. Идеальным способом является электролиз.

Методом электролиза

Немецкий химик Иоганн Вильгельм Риттер впервые использовал электролиз для получения водорода еще в 1800 году. С помощью электрической энергии, электролиз разлагает воду на водород и кислород.

Особенностью электролиза может быть то, что если электроэнергия добыта из возобновляемых источников, то производство водорода во всем цикле  может выделять только углекислый газ.

С помощью этого метода два электрода погружают в проводящий водный электролит. Это может быть смесь воды и серная кислота или гидроксид калия (KOH). Аноды и катоды проводят постоянный ток в электролитах и на них образуются газы водород и кислород. Хотя электролиз уже достиг высокого уровня технического развития, как экологически совместимый вариант производства кислорода, другие альтернативные методы также разрабатываются.

Термохимический метод

При температуре выше 1700° C вода непосредственно разлагается на водород и кислород.

 Однако эти температуры требуют дорогостоящих термостойких средств. Необходимую температуру можно уменьшить ниже чем 1000° С через различные сопряженные химические реакции.

Биологическое получение

Другие методы включают фотобиологическое производство водорода. Суть этого метода в том, что некоторые водоросли во время роста при нехватке серы производят водород.  Это типа биореакторов использующих свет для разложения воды.

Хранение и транспортировка

После получения водорода он должен храниться и транспортироваться потребителю. В принципе, мы знакомы с хранением и транспортировкой горючих газов.

Водород – очень легкий газ с очень минимальной плотностью, но имеет относительно высокое значение энергоемкости. При сравнении с природным  газом то он требует гораздо больших объемов хранения, хотя накопленный водород намного легче.

Произведенный водород можно сохранить под высоким давлением и сжать для того чтобы уменьшить необходимые объемы хранения. При нормальном давлении этот газ конденсируется, но до тех пор, пока он не достигнет чрезвычайно низких температур минус 253° C.

Для достижения таких низких температур требуется определенное количество энергии. От 20 до 40%  энергии, хранящейся в водороде, используется для его сжижения.

В принципе, те же технологии, которые используются в секторе природного газа могут быть использованы для сжижения, транспортировки и хранения. Этот первый элемент периодической системы  можно транспортировать либо в трубопроводах, либо на специальных танкерах и грузовых судах. В то время как трубопроводы, как правило, транспортируют газообразную форму, танкеры предпочтительны для жидкого водорода. В отличие от водорода, природный газ уже становится жидким при минус 162 ° C. Опыт работы в газовой отрасли может быть использован для хранения и транспортировки водородной энергии.

Будущее применение

Топливные элементы считаются ключом к будущему использованию энергии водорода, поскольку они могут преобразовывать его непосредственно в электрическую энергию. Теоретически это приводит к более высокой эффективности, чем при сжигании в обычных тепловых электростанциях.

Принцип работы топливных элементов известен уже очень давно.

Есть некоторые споры о том, кто на самом деле изобрел топливный элемент:

  • Немецко-швейцарский химик Кристиан Фридрих  провел первые тесты в технологии топливных элементов в 1838 году.
  • Английский физик сэр Уильям Роберт Гроув построил первый топливный элемент в 1839 году.
  • Впоследствии такие известные ученые, как Анри Беккерель и Томас Эдисон, стали участвовать в их дальнейшем развитии. Однако это была довольно слабо продвинутая стадия развития.
  • Наконец, в середине двадцатого века была достигнута задача, позволившая применение и основное использование топливных элементов.

Топливные элементы, в основном, предполагают реверсирование электролиза. Топливный элемент всегда содержит два электрода. В зависимости от типа топливного элемента, чистый водород (H2) или топливо содержащее углеводороды подают через анод и чистый кислород (О2 ) или воздух в качестве окислительного материала через катод. Электролит отделяет анод и катод. Электроны текут по большой цепи и создают электрическую энергию.

С 1990-х годов разработка топливных элементов идет полным ходом. Автомобильные производители и энергокомпании приняли технологию и ищут способ получить прибыль от положительного применения водорода как источника энергии.

beelead.com

Оборудование + Технология изготовления 2019

Современное производство водорода в промышленных масштабах становится неотъемлемой части промышленности. Оно используется в водородной энергетике. Особенностью данного соединения выступает необходимость его получения в чистом виде искусственным путем, по причине того, что в чистом виде водород неустойчив и практически в природе не встречается.

Водород активно применяется в химической промышленности при получении аммиака, метанола, мыла, пластмасс; в пищевой промышленности при производстве маргарина из жидких растительных масел; в авиационной промышленности.

Технология производства водорода + видео как получают

Технология производства водорода включает в себя несколько типов способов получения водорода. Данное обстоятельство делает производство водорода выгодным мероприятием, поскольку так снижается зависимость от видов сырья и повышается энергетическая безопасность.

Водород можно получить следующими способами – паровой конверсией метана и природного газа, газификацией угля, электролизом воды, пиролизом, путем частичного окисления, с помощью биотехнологий, добычи глубинных газов планеты.

В целом, основной проблемой водородного производства является отсутствие спроса и инфраструктуры, поскольку нет водородных автомобилей. Также в долгосрочной перспективе данное производство планируется базировать на использовании возобновляемых ресурсов.

На сегодняшний день самой дешевой технологией производства водорода принято считать паровую конверсию.

Производство может быть организовано и на частном предприятии и на крупном предприятии. В условиях большого производственного предприятия снижается себестоимость производства, однако повышаются расходы на доставку водорода к специальным водородным заправочным станциям.

Технология производства с помощью паровой конверсии состоит в том, что водяной пар смешивается с метаном под высоким давлением с использованием катализатора и при температуре от семисот до одной тысячи градусов по Цельсию.

Технология получения из угля состоит из процесса нагрева угля при температуре в восемьсот – тысячу триста градусов по Цельсию, при этом перекрывается доступ кислорода.

Технология получения биоводорода предполагает применение термохимического или биохимического способа. Термохимический способ предполагает нагревание биомассы без доступа кислорода до температуры в пятьсот-восемьсот градусов по Цельсию. Биохимический процесс предполагает использование специальных бактерий при температуре в тридцать градусов по Цельсию при нормальном атмосферном давлении.

Также современные технологии и оборудование позволяют получать водород из мусора, при химической реакции воды с металлами, и использовать водоросли. Портативные или домашние установки позволяют получать водород путем переработки природного газа или электролиза воды.

Технология электролиза позволяет получать водород и кислород из воды. Чистота выхода продукции достигается почти ста процентов, благодаря специальному оборудованию по очистке получаемого водорода. Такие установки безопасны для окружающей среды, поскольку в результате реакции в атмосферу выделяется только кислород с небольшой примесью водород и пар воды. Система безопасности оснащена специальными датчиками и системами, которые переводят оборудование в режим ожидания, если обнаруживается ошибка в работе системы установки. Или же прекращает подачу электроэнергии. Особенности работы каждой установки зависят от размеров самого аппарата и других факторов.

Видео как получают (делают):

Крупнейшими производителями водорода считаются следующие компании и организации: Air Liquide, Linde A,G Praxair.

Оборудование для производства водорода

Оборудование для производства водорода выпускается различными компаниями. Их комплектация и оснащение зависит от сырья, которое будет использоваться для производства водорода, объемов производства и ряда других факторов.

Некоторые установки могут состоять из следующих элементов – генератора водорода, блока питания и управления, системы удаленного контроля, соединительных кабелей. Также могут идти в комплекте газоанализаторы водорода в атмосфере и кислороде, источник бесперебойного питания, системы очистки водорода, защитный герметичный корпус, установки для очистки воды обратным способом, холодильники для охлаждения газов.

Компактное оборудование может комплектоваться следующими агрегатами – водородный генератор и периферийное оборудование – системы для охлаждения электролита и газов, очистки подаваемой воды и системы очистки получаемого водорода. Оно по стандарту выпускается контейнерным типом. Кроме целых систем, в линию производства могут добавляться отдельные элементы, которые повышают те или иные параметры линии – производительность, безопасность, давление. Такой подход позволяет повысить производительность линии и снизить себестоимость получения продукции.

Оборудование многих компаний может гарантировать следующие преимущества своего оборудования: низкий уровень потребления электроэнергии; оптимальные показатели пуска и регулирования производительности установки, качественные современные материалы, обеспечивающие не только долгий срок эксплуатации, но и безвредность работы установки; отсутствие токсичных и опасных материалов в установках; автоматизированное управление, снижающее затраты на обслуживание установки; возможность управления работой установленного оборудования посредством персонального компьютера из диспетчерского пункта; все оборудование имеет необходимую сертификацию и соответствующие документы, подтверждающие качество и надежность.

Загрузка…

moybiznes.org

Применение водорода в промышленности

Основным потребителем водорода является химическая промышленность, где водород применяется в основном для производства аммиака и метанола, а также нефтехимическая промышленность. В нефтепереработке водород используется в процессах гидрокрекинга и гидроочистки, в ходе которых происходит расщепление тяжёлых молекул углеводородов на более мелкие, насыщение водородом непредельных углеводородов и очистка сырья от сера-азотсодержащих соединений. Такие крупнотоннажные потребители используют водород, получаемый различными химическими способами – паровой конверсией природного газа, риформингом высших углеводородов и газификацией угля. Доля водорода, производимого методом электролиза воды, по разным оценкам составляет всего от 5 до 10% от общемирового объёма производства водорода. Несмотря на более высокую стоимость электролитического водорода по сравнению с водородом, получаемым из природного газа, метод электролиза воды обладает рядом существенных преимуществ, обуславливающих целесообразность его применения во многих отраслях промышленности.

Генераторы водорода, работающие по принципу электролиза воды, являются достаточно компактными системами, что позволяет применять их для производства водорода на месте, то есть локализовать получение водорода непосредственно на предприятии потребителя. Такие системы отличаются относительной простотой, высоким ресурсом, высокой степенью автоматизации и надёжностью. Они позволяют получать водород высокой чистоты в широком диапазоне производительности – от 200 мл/мин до 400 м3/час и более, при этом подавая водород на выходе из генератора под высоким давлением – до 30 бар и выше.

Ввиду описанных преимуществ электролизные установки для получения водорода находят применение на предприятиях пищевой промышленности, металлургии, производстве полупроводников, стекольной промышленности, метеорологии, в энергетике – для охлаждения мощных турбогенераторов. Генераторы небольшой производительности широко применяются в лабораторных целях. Активно развивается направление водородной энергетики, где водород рассматривается в качестве энергоносителя.

protononsite.ru

Урок 26. Получение водорода и его применение – HIMI4KA

В уроке 26 «Получение водорода и его применение» из курса «Химия для чайников» узнаем о получении водорода в лабораториях и в промышленности, а также выясним в каких отраслях промышленности его применяют.

Водород находит широкое применение в технике и лабораторных исследованиях. Мировое промышленное производство водорода из меряется десятками миллионов тонн в год.

Выбор промышленного способа получения простых веществ зависит от того, в какой форме соответствующий элемент находится в природе. Водород находится в природе преимущественно в соединениях с атомами других элементов. Поэтому для его получения необходимо использовать химические методы. Эти же методы применяют для получения водорода и в лабораторной практике.

Получение водорода в лаборатории

В лабораториях водород получают уже известным вам способом, действуя кислотами на металлы: железо, цинк и др. Поместим на дно пробирки три гранулы цинка и прильем небольшой объем соляной кислоты. Там, где кислота соприкасается с цинком (на поверхности гранул), появляются пузырьки бесцветного газа, которые быстро поднимаются к поверхности раствора:

Атомы цинка замещают атомы водорода в молекулах кислоты, в результате чего образуется простое вещество водород Н2, пузырьки которого выделяются из раствора. Для получения водорода таким способом можно использовать не только хлороводородную кислоту и цинк, но и некоторые другие кислоты и металлы.

Соберем водород методом вытеснения воздуха, располагая пробирку вверх дном (объясните почему), или методом вытеснения воды и проверим его на чистоту. Пробирку с собранным водородом наклоняем к пламени спиртовки. Глухой хлопок свидетельствует о том, что водород чистый; «лающий» громкий звук взрыва говорит о загрязненности его примесью воздуха.

В химических лабораториях для получения относительно небольших объемов водорода обычно применяют способ разложения воды с помощью электрического тока:


Из уравнения процесса разложения следует, что из 2 моль воды образуются 2 моль водорода и 1 моль кислорода. Следовательно, и соотношение объемов этих газов также равно:

Получение водорода в промышленности

Очевидно, что при огромных объемах промышленного производства сырьем для получения водорода должны быть легкодоступные и дешевые вещества. Такими веществами являются природный газ (метан СН4) и вода. Запасы природного газа очень велики, а воды — практически неограниченны.

Самый дешевый способ получения водорода — разложение метана при нагревании:

Эту реакцию проводят при температуре около 1000 °С.

В промышленности водород также получают, пропуская водяные пары над раскаленным углем:

Существуют и другие промышленные способы получения водорода.

Применение водорода

Водород находит широкое практическое применение. Основные области его промышленного использования показаны на рисунке 103.

Значительная часть водорода идет на переработку нефти. Около 25 % производимого водорода расходуется на синтез аммиака NH3. Это один из важнейших продуктов химической промышленности. Производство аммиака и азотных удобрений на его основе осуществляется в нашей стране на ОАО «Гродно Азот». Республика Беларусь поставляет азотные удобрения во многие страны мира.

В большом количестве водород расходуется на получение хлороводородной кислоты. Реакция горения водорода в

кислороде используется в ракетных двигателях, выводящих в космос летательные аппараты. Водород применяют и для получения металлов из оксидов. Таким способом получают тугоплавкие металлы молибден и вольфрам.

В пищевой промышленности водород используют в производстве маргарина из растительных масел. Реакцию горения водорода в кислороде применяют для сварочных работ. Если использовать специальные горелки, то можно повысить температуру пламени до 4000 оС. При такой температуре проводят сварочные работы с самыми тугоплавкими материалами.

В настоящее время в ряде стран, в том числе и в Беларуси, начаты исследования по замене невозобновляемых источников энергии (нефти, газа, угля) на водород. При сгорании водорода в кислороде образуется экологически чистый продукт — вода. А углекислый газ, вызывающий парниковый эффект (потепление окружающей среды), не выделяется.

Предполагают, что с середины XXI в. должно быть начато серийное производство автомобилей на водороде. Широкое применение найдут домашние топливные элементы, работа которых также основана на окислении водорода кислородом.

Краткие выводы урока:

  1. В лаборатории водород получают действием кислот на металлы.
  2. В промышленности для получения водорода используют доступное и дешевое сырье — природный газ, воду.
  3. Водород — это перспективный источник энергии XXI в.

Надеюсь урок 26 «Получение водорода и его применение» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии. Если вопросов нет, то переходите к следующему уроку.

himi4ka.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 H2 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 (H2 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 H2 с помощью каталитической реакции. Выход O2 в H2 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 H2 (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 (H2 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 H2 с -60 °C до -75 °C, а содержание О2 в произведенном H2 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 H2.

Замер чистоты в режиме реального времени

Производится непрерывный мониторинг произведенного H2 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 H2 в атмосферу, в случае если его качество не соответствует спецификации. Данная опция может быть выбрана только в комбинации с системой замера чистоты H2 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 H2, 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 H2 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

Производство водорода — Википедия

Электролизёр — оборудование для производства водорода из воды

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

Методы производства водорода

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

К ним относятся:[источник не указан 1171 день]

В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов. Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

Производство водорода из различных источников сырья

Из углеводородов

Паровая конверсия природного газа / метана

Водород можно получать разной чистоты: 95-98% или особо чистый. В зависимости от дальнейшего использования водород получают под различным давлением: от 1,0 до 4,2 МПа. Сырье (природный газ или легкие нефтяные фракции) подогревается до 350-400° в конвективной печи или теплообменнике и поступает в аппарат десульфирования. Конвертированный газ из печи охлаждается в печи-утилизаторе, где вырабатывается пар требуемых параметров. После ступеней высокотемпературной и низкотемпературной конверсии СО газ поступает на адсорбцию СО2 и затем на метанирование остаточных оксидов. В результате получается водород 95-98,5% чистоты с содержанием в нем 1-5% метана и следов СО и СО2.

В том случае, если требуется получать особо чистый водород, установка дополняется секцией адсорбционного разделения конвертированного газа. В отличие от предыдущей схемы конверсия СО здесь одноступенчатая. Газовая смесь, содержащая H2, CO2, CH4, H2O и небольшое количество СО, охлаждается для удаления воды и направляется в адсорбционные аппараты, заполненные цеолитами. Все примеси адсорбируются в одну ступень при температуре окружающей среды. В результате получают водород со степенью чистоты 99,99%. Давление получаемого водорода составляет 1,5-2,0 МПа.

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение.

Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°—1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90 % СО2.

Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.

Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить[1] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.

Из мусора

Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 года Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование (недоступная ссылка) о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

141 тонны водорода достаточно для работы 13750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.

Химическая реакция воды с металлами

В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий создаёт вокруг алюминия плёнку, предотвращающую окисление алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.

Из одного фунта (≈453 г) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина $3 за галлон (≈3,8 л).

Автомобиль среднего размера с двигателем внутреннего сгорания с 350 фунтами (158 кг) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км). В будущем стоимость такой поездки составит $63 (0,11 $/км), включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.[2]

С использованием водорослей

Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили[источник не указан 1052 дня], что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

Домашние системы производства водорода

Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа, или электролизом воды. Honda испытывает свою бытовую установку под названием Домашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшаяся часть водорода используется для заправки автомобиля.

Британская компания ITM Power Plc разработала и испытала в 2007 г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода достаточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале 2008 года. ITM Power уже достигла уровня себестоимости электролизеров $164 за 1кВт.

Крупнейшие производители водорода

См. также

Примечания

Ссылки

wikipedia.green

Производство водорода — это… Что такое Производство водорода?

Электролизёр — оборудование для производства водорода из воды

Промышленное производство водорода — неотъемлемая часть водородной энергетики, первое звено в жизненном цикле употребления водорода. Водород практически не встречается в природе в чистой форме и должен извлекаться из других соединений с помощью различных химических методов.

Методы производства водорода

Разнообразие способов получения водорода является одним из главных преимуществ водородной энергетики, так как повышает энергетическую безопасность и снижает зависимость от отдельных видов сырья.

К ним относятся:

В данный момент наиболее доступным и дешёвым процессом является паровая конверсия. Согласно прогнозам, она будет использоваться в начальной стадии перехода к водородной экономике для упрощения преодоления проблемы «курицы и яйца», когда из-за отсутствия инфраструктуры нет спроса на водородные автомобили, а из-за отсутствия водородных автомобилей не строится инфраструктура. В долгосрочной перспективе, однако, необходим переход на возобновляемые источники энергии, так как одной из главных целей внедрения водородной энергетики является снижения выброса парниковых газов. Такими источниками может быть энергия ветра или солнечная энергия, позволяющая проводить электролиз воды.

Производство водорода может быть сосредоточено на централизованных крупных предприятиях, что понижает себестоимость производства, но требует дополнительных расходов на доставку водорода к водородным автозаправочным станциям. Другим вариантом является маломасштабное производство непосредственно на специально оборудованных водородных автозаправочных станциях.

Производство водорода из различных источников сырья

Из углеводородов

Паровая конверсия природного газа / метана

В настоящее время данным способом производится примерно половина всего водорода. Водяной пар при температуре 700°—1000° Цельсия смешивается с метаном под давлением в присутствии катализатора. Себестоимость процесса $2-5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $2-$2,50, включая доставку и хранение.

Газификация угля

Старейший способ получения водорода. Уголь нагревают при температуре 800°—1300° Цельсия без доступа воздуха. Первый газогенератор был построен в Великобритании в 40-х годах XIX века. США предполагают построить электростанцию по проекту FutureGen, которая будет работать на продуктах газификации угля. Электричество будут вырабатывать топливные элементы, используя в качестве горючего водород, получающийся в процессе газификации угля.

В декабре 2007 г. была определена площадка для строительства первой пилотной электростанции проекта FutureGen. В Иллинойсе будет построена электростанция мощностью 275 МВт. Общая стоимость проекта $1,2 млрд. На электростанции будет улавливаться и храниться до 90 % СО2.

Себестоимость процесса $2-$2,5 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение цены до $1,50, включая доставку и хранение.

Из биомассы

Водород из биомассы получается термохимическим, или биохимическим способом. При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500°-800° (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.

Себестоимость процесса $5-$7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-$3,0.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30° Цельсия при нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Из цепочки сахар-водород-водородный топливный элемент можно получить[1] в три раза больше энергии, чем из цепочки сахар-этанол-двигатель внутреннего сгорания.

Из мусора

Разрабатываются различные новые технологии производства водорода. Например, в октябре 2006 году Лондонское Водородное Партнёрство опубликовало исследование о возможности производства водорода из муниципального и коммерческого мусора. Согласно исследованию, в Лондоне можно ежедневно производить 141 тонну водорода как пиролизом, так и анаэробным сбраживанием мусора. Из муниципального мусора можно производить 68 тонн водорода.

141 тонны водорода достаточно для работы 13750 автобусов с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде. В Лондоне в настоящее время эксплуатируется более 8000 автобусов.

Химическая реакция воды с металлами

В 2007 году Университет Purdue (США) разработал метод производства водорода из воды при помощи алюминиевого сплава.

Сплав алюминия с галлием формируется в пеллеты. Пеллеты помещают в бак с водой. В результате химической реакции производится водород. Галлий создаёт вокруг алюминия плёнку, предотвращающую окисление алюминия. В результате реакции создаётся водород и оксид алюминия.

Из одного фунта (0,45359237 кг) алюминия можно получать более 2 кВт·ч энергии от сжигания водорода и более 2 кВт·ч тепловой энергии во время реакции алюминия с водой. В будущем, при использовании электроэнергии атомных реакторов 4-го поколения, себестоимость водорода, получаемого в ходе реакции, станет эквивалента цене бензина $3 за галлон.

Автомобиль среднего размера с двигателем внутреннего сгорания с 350 фунтами (158 кг.) алюминия на борту может проехать 350 миль (560 км.). В будущем стоимость поездки составит $63, включая стоимость восстановления оксида алюминия на атомной электростанции 4-го поколения.[2]

С использованием водорослей

Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают, и начинается бурная выработка водорода.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

Домашние системы производства водорода

Вместо строительства водородных заправочных станций водород можно производить в бытовых установках из природного газа, или электролизом воды. Honda испытывает свою бытовую установку под названием Домашняя энергетическая станция Honda. Установка в бытовых условиях производит водород из природного газа. Часть водорода используется в топливных элементах для производства тепловой и электрической энергии для дома. Оставшая часть водорода используется для заправки автомобиля.

Британская компания ITM Power Plc разработала и испытала в 2007 г. бытовой электролизёр для производства водорода. Водород производится ночью, что позволит сгладить пики потребления электроэнергии. Электролизер мощностью 10 кВт производит из воды водород, и хранит его под давлением 75 бар. Произведённого водорода досточно для 40 км пробега битопливного (водород/бензин) Ford Focus. Компания планирует начать производство бытовых электролизеров в начале 2008 года. ITM Power уже достигла уровня себестоимости электролизеров $164 за 1кВт.

Крупнейшие производители водорода

См. также

Примечания

Ссылки

dic.academic.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о