Плазменные методы производства водорода

БИРЖА ТЕХНОЛОГИЙ И КОНТАКТОВ
Плазменные методы
производства водорода
В. Животов,
начальник лаборатории Институт водородной энергетики и плазменных технологий
ФГУ РНЦ «Курчатовский институт»
jivotov@hepti.kiae.ru
ИННОВАЦИИ № 11 (98), 2006
О
бщепризнанно, что развитие энергетики и
транспорта в ближайшие десятилетия, а так
же их превращение в экологически чистые
отрасли связано с внедрением водорода в качестве
энергоносителя. Развитие водородной энергетики за
счет резкого снижения потребления природных топ
лив позволит снять остроту энергетической пробле
мы в ближайшем будущем, а впоследствии — по мере
освоения промышленного использования термоядер
ной энергии — полностью разрешить ее.
Основной проблемой, препятствующей широко
му промышленному использованию водород
ной энергетики в настоящее время, является от
сутствие высокоэффективных способов получения
водорода.
Новый подход к получению водорода из углево
дородсодержащего сырья может быть основан на яв
лении каталитической активности неравновесной
плазмы в химических реакциях. Реализация этого
подхода привела в созданию высокоэффективных
плазменнокаталитических реакторов, полностью
лишенных недостатков, присущих традиционным
каталитическим установкам и обладающих следую
щими достоинствами:
отсутствием необходимости технологического об
служивания катализатора;
оперативная возможность неограниченного коли
чества циклов «пуск–остановка» без необходимо
сти активации катализатора;
высокая удельная производительность;
экологическая чистота;
отсутствие проблемы «зауглероживания» катали
затора;
отсутствие проблемы очистки реагентов от сер
нистых соединений;
независимость параметров и характеристик плаз
менного процесса от типа углеводородного сырья.
Явление плазменного катализа энергетически
эффективно (энергозатраты 0,1 кВт⋅ч на нм 3) и
универсально. Оно продемонстрировано на приме
ре целого ряда практически важных процессов по
лучения водорода и синтезгаза из углеводородов:
диссоциация метана на водород и углерод, пиро
лиз метанола, парциальное окисление и парокис
112
лородная конверсия жидкого набора углеводоро
дов, начиная с метана и заканчивая жидкими мо
торными топливами (керосин, дизельное топливо).
Фактически можно говорить об универсальном по
отношении к виду исходных углеводородов харак
тере эффекта, что выгодно отличает его от тради
ционного катализа и резко упрощает его практи
ческое использование.
Проведение исследований механизмов плазмен
ного катализа послужило основой для разработки
и создания прототипов технологических плазмен
ных конверторов газообразного углеводородного
сырья и жидких моторных топлив в синтезгаз и
водород.
Проведены испытания компактного высокоэф
фективного автомобильного бортового конвертора
жидкого моторного топлива (топливного процессо
ра) с производительностью, достаточной для обеспе
чения водородом энергетической установки совре
менного автомобиля.
Ведутся также разработки стационарных генера
торов водорода, которые могут быть использованы
для оснащения автозаправочных станций, для вклю
чения в состав систем эффективного децентрализо
ванного энергоснабжения, миниатюрных электроге
нераторов для электропитания портативных компь
ютеров, фото и кинотехники и других бытовых при
боров.
Другим подходом к плазменному получению во
дорода является пример процесса диссоциации серо
водорода. Разработка процесса диссоциации серо
водорода и сероводородсодержащих газов прохо
дила последовательно — стадию лабораторных ис
следований на уровне производительности плаз
мотрона 1–2 м3/ч в Институте водородной энерге
тики
и
плазменных
технологий
РНЦ
«Курчатовский институт»; стадию пилотных испы
таний на уровне производительности установки 50
м3/ч на площадке Дрогобычского нефтеперераба
тывающего завода; стадию опытнопромышленно
го внедрения на уровне производительности 500–
1000 м3/ч на предприятиях газоперерабатывающей
промышленности, в частности, на площадке Орен
бургского газоперерабатывающего завода.
Биржа технологий и контактов
БИРЖА ТЕХНОЛОГИЙ И КОНТАКТОВ
H2S + 1/2 О2 = H2O.
(1)
Это двустадийный термокаталитический про
цесс, на первой стадии которого происходит окисле
ние сероводорода кислородом с получением сернис
того ангидрида как промежуточного продукта.
Процесс Клауса экологически нечист, при его про
ведении возникают выбросы значительных количеств
сернистого ангидрида в атмосферу. Применение си
стем дополнительной очистки от сернистого ангид
рида резко удорожает стоимость технологического
оборудования. Кроме того, процесс Клауса дает в ка
честве своего продукта только серу. Вторая ценная
компонента сероводорода — водород теряется, пере
ходя в воду.
Все это определяет тот интерес, который прояв
ляется к процессам полной диссоциации сероводо
рода, в том числе плазмохимической диссоциации в
микроволновых плазмотронах:
H2S = H2 + S ∆H = 0,21 эВ.
(2)
Плазмохимическая переработка сероводорода
позволяет получать из исходного водорода оба про
дукта — серу и водород, причем с весьма низкими
энергозатратами: энергозатраты 0,5 кВт⋅ч/1 м3 во
дорода — это теоретический предел, 1 кВт⋅ч — се
годняшний практический результат. Получаемый
при диссоциации сероводорода водород может рас
сматриваться как дополнительный ценный продукт
газодобычи и газопереработки; в нефтеперерабаты
вающей промышленности и цветной металлургии
полученный из сероводорода водород может вос
полнить тот водород, которой был затрачен на ста
диях гидроочистки нефти и восстановления метал
лов из сульфидов, сделав эти технологии замкну
тыми по этому расходному компоненту. Во всех
случаях технология плазмохимической переработ
ки сероводорода является безотходной и экологи
чески чистой.
Третье направления получения водорода — дву
стадийный углекислотный цикл, в основе которого
лежит процесс диссоциации углекислого газа. Это
один из наиболее популярных плазмохимических
процессов. Его изучению посвящены многочислен
ные экспериментальные и теоретические работы, от
носящиеся как к квазиравновесной, так и сильно не
равновесной плазме.
Процесс изучался в самых разнообразных разряд
ных системах — в тлеющем, ВЧ, СВЧ, плазменно
пучковом, дуговом разрядах, в разряде с полым ка
тодом, при плазменном радиолизе, в несамостоя
тельных разрядах, поддерживаемых электронным
пучком.
Практический интерес к процессу плазмохими
ческой диссоциации углекислого газа проявляется с
различных точек зрения. Неполная диссоциация СО2
на окись углерода и кислород
СО2 = СО + 1/2 О2 – ∆Н; ∆Н = 2,89 эВ
(3)
дает своим продуктам энергоноситель — окись угле
рода, которая может в стандартном термокаталити
ческом процессе паровой конверсии
СО2 + H2O = H2 + СО2 + ∆Н; ∆Н = 0,4 эВ (4)
быть переведенным в другой энергоноситель —
водород.
Наиболее естественным плазмохимическим спо
собом получения водорода может показаться диссо
циация паров воды. Однако трудности проведения
этого процесса с высокой энергетической эффектив
ностью в плазме достаточно велики. Достигнутые
результаты, хотя и являются относительно высоки
ми, тем не менее по энергетической эффективности
уступаю электролизу.
Все это повышает интерес к процессу диссоциа
ции углекислого газа, который вместе с (4) образует
двустадийный углекислотный цикл получения водо
рода из воды.
В цикле расходуются: энергия на первой, плазмо
химической стадии (3) и вода — на второй стадии (4).
Углекислый газ циркулирует, продуктами цикла яв
ляются водород и кислород.
Для энергетической эффективности цикла опре
деляющими являются энергозатраты процесса дис
социации углекислого газа.
В рамках атомноводородной энергетики упро
щенная технологическая схема двустадийного плаз
мохимического цикла получения водорода из воды
может состоять из ядерноэнергетического блока,
плазмохимического блока, сепаратора газовой смеси,
блока паровой конверсии окиси углерода.
Биржа технологий и контактов
113
ИННОВАЦИИ № 11 (98), 2006
Существует три основных проблемы промышлен
ности, в которых остро стоит проблема переработки
сероводорода. В первую очередь, это газоперераба
тывающая промышленность. Концентрация серо
водорода, сопутствующего природному газу газо
вых месторождений, может быть очень велика — до
20–25%.
Высокая токсичность сероводорода приводит к
необходимости как тщательной очистки от него га
зовой фракции, так и полной ее переработки. В неф
теперерабатывающей промышленности в процессе
гидроочистки нефти от серы последняя связывается
с водородом, образуя сероводород. На предприятиях
цветной металлургии при восстановлении металлов
из их сульфидов с помощью водородосодержащих
восстановителей также образуется сероводород, ко
торый должен быть утилизирован.
Традиционным методом переработки сероводо
рода является метод Клауса.