Разработка перспективной модели энерго-и экологически эффективного производства водорода на базе природного газа и комбинирования процессов в черной металлургии

Решение проблем водородной энергетики внесет весомый вклад в создание экологически безопасных и энергосберегающих теплотехнических и энергетических комплексов. Использование водорода в различных отраслях характеризуется достаточно высокими энергетическими, экономическими и экологическими эффектами, а использование водорода у потребителей для производства электрической энергии при отказе от централизованных систем электроснабжения позволит в значительной степени улучшить экологическую обстановку и сократить выбросы диоксида углерода в атмосферу.

Огромный вклад в развитие водородной энергетики в нашей стране внесли исследователи организаций: Институт водородной энергетики и плазменных технологий, ФГУ Российский научный центр «Курчатовский институт», Московский энергетический институт (ТУ) (каф. ХиЭЭ) — ФГУП «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша», Институт катализа им. Г. К. Борескова, Институт физической химии и электрохимии имени А. Н. Фрумкина, Институт проблем химической физики, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе, Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова (физический и химический факультеты), Институт электрофизики Уральского отделения РАН и другие научно-исследовательские организации страны.

К проблемам водородной энергетики обращено внимание не только научных работников, но и правительств многих стран мира, в том числе и правительства России, так как эта отрасль будет широко востребована в ближайшем будущем. Поэтому сегодня необходимо выполнять научно-исследовательские работы для разработки технологий водородной энергетики, которые смогут конкурировать с традиционными технологиями, основанными на сжигании органического топлива.

Становится необходимым решение проблем, связанных с получением, храпением, транспортом и использованием водорода.

Мировое производство водорода составляет почти 50 млн. т в год [1]. На основании данных, опубликованных в [1−3] доля производства водорода паровой конверсией метана достигает 90%, электролизом воды 4—10%, при этом часть водорода производится при использовании угля.

Основными потребителями водорода на данный момент являются химическая и нефтеперерабатывающая отрасли (до 90% от общего объема водорода). Также достаточно крупными потребителями водорода можно считать металлургическую, металлообрабатывающую, пищевую, электронную, фармацевтическую, стекольную отрасли промышленности, ракетно-космическую технику, а также использование водорода в качестве топливного газа на транспорте. Масштабы и струкгура рынка потребления водорода в XXI в. показаны в табл. 1 [4].

Таблица 1.

Масштабы и структура рынка водорода в XXI веке.

Отрасль потребления Потребление Н2, млн. т, по годам.

2000 2050 2100.

Производство аммиака 20 50 87,5.

Производство метанола 3 7,5 13.

Нефтепереработка и нефтехимия 11 27,5 27,5.

Металлургия 3 16 32.

Производство синтетического топлива н/д — 180.

Топливо для автотранспорта — 260 450.

Другие потребители, включая товарный водород менее 3 7,5 13.

Всего: 40 370 800.

Из таблицы видно, что потребление водорода в качестве автомобильного топлива значительно возрастет и составит более половины от общего потребления. Производство водорода в виде синтетического топлива составит более 22%. Потребление водорода в металлургии возрастет более чем в 10 раз по сравнению с уровнем 2000 года.

Действующие технологии производства водорода характеризуются относительно высокой энергоемкостью, превышающей собственную энергоемкость водорода, что приводит к повышенному выбросу ССЬ в атмосферу. Так как обеспечение энергопотребления осуществляется в первую очередь за счет сжигания большого количества первичного органического топлива.

Известно, что увеличение содержание С02 в атмосфере будет существенно влиять на рост смертности и снижение рождаемости населения планеты, что потребует жесткого ограничения выбросов СО2 на уровне мирового сообщества (по аналогии с Киотским протоколом) [5]. В этой ситуации развиваться прежними темпами смогут только те страны, которые будут готовы перейти с углеводородных технологий на водородные при сокращении выбросов С02 в атмосферу. Тем более что они до определенного времени считались достаточно желательным продуктом процессов горения органического топлива, по сравнению с другими веществами в воздушной среде, такими как выделение окислов азота, монооксида углерода, двуокиси серы, сажи и канцерогенных веществ (типа бензопирена), которые оказывают сверхотрицательное влияние практически на все элементы окружающей среды.

Заявленные масштабы потребности в водороде без дополнительного загрязнения окружающей среды могут быть обеспечены только при разработке новых способов производства водорода, которые не повлекут за собой значительных затрат энергии и ухудшение экологической обстановки.

Существующий широкий комплекс исследовательских работ, ориентированный на проблему производства водорода, включает в себя совершенствование действующего оборудования, что приводит к получению энергосберегающих, экологических и экономических эффектов. В работах [1,4,10] показано, что разработка способов производства водорода на базе ядерно-технологических комплексов и атомной энергии является весьма перспективным. Одновременно в работе [9], указывается, что использование ядерных и атомных энергетических технологий может принести к значительным пагубным воздействиям на окружающую среду, при этом предлагается в качестве первичного источника энергии для получения водорода использовать солнечную энергию. Известно [10], что схемы производства водорода на базе солнечной энергии представляют интерес только для сравнительно мелких автономных потребителей.

Вместе с тем имеются значительные резервы энергосбережения и повышения экологической эффективности при производстве водорода, основанного на комбинировании с теплотехнологическими системами и комплексами.

Наиболее перспективными могут стать способы производства водорода, организованные в области технологических производств, основанных на термическом разложении природного газа, при технологическом использовании углерода. Так как теплотехнологический комплекс страны, включающий все многообразие замкнутых теплотехнологических производственных комплексов, непосредственно потребляет около 2/3 добываемого в стране топлива, 1/3 вырабатываемой электрической и более ½ тепловой энергии.

К числу основных потребителей энергоресурсов можно отнести отраслевые теплотехнологические комплексы (ТТК) черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов и др. Эти ТТК в своей принципиальной основе сложились еще в «доэкологический период», когда не наблюдалось даже ростков таких острых современных проблем, как глубокое энергосбережение, экономия минеральных ресурсов, экологическая безопасность, экономия пресной воды. Также необходимо отметить, что современные промышленные теплотехнологические комплексы обладают значительными вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР), которые мало используются. К ВЭР можно отнести физическую и химическую теплоту отходящих газов, теплоту шлаков, теплоту технологических продуктов и др. Низкая степень использования ВЭР в теплотехнологических производствах в первую очередь связана с примитивностью тепловых схем, направленных на энергетическое использование и получение низкопотенциальной теплоты (водяной пар, горячая вода). Производимая низкопотенциальная теплота, как правило, востребована только в определенное время года и в ограниченном количестве.

Известно, что использование ВЭР теплотехнологических производств в технологических целях может дать энергосберегающий эффект в значительной степени, превышающий эффект от использования ВЭР в энергетических целях [6].

Таким образом, изыскание способов производства водорода на базе теплотехнологических производств является весьма перспективным.

В качестве наиболее перспективной профессиональной и методологической базы поиска и разработки перспективной модели производства водорода на базе те-плотехнологического комплекса предлагается методология интенсивного энергосбережения, разработанная в МЭИ (ТУ) профессором Ключниковым А. Д. Мероприятия интенсивного энергосбережения, в отличие от традиционных, ставят перед собой задачи достижения одномоментного, предельно высокого, крупномасштабного энергосберегающего эффекта.

Это достигается на базе системного энергетического анализа крупных производственных комплексов и на основе изменения, в общем случае, принципиальных основ технологии, техники управления, повышения качества продукции и полноты конечного использования.

Суммируя изложенное, интенсивное энергосбережение можно с полным основанием уподобить «тягачу» общего прогресса теплотехнологических систем и комплексов [7, 8]. Основываясь на методологии интенсивного энергосбережения, возможна разработка перспективных моделей энергоматериалосберегающих и экологически совершенных теплотехнологических систем и комплексов будущего, в том числе и для производства водорода.

Цель работы: Выявление перспектив существенного повышения энергетической и экологической эффективности крупномасштабного производства водорода на базе природного газа.

Цель достигается на базе решения следующих задач:

1) проведение сравнительного энергетического и экологического анализа действующих систем производства водорода;

2) определение сравнительных характеристик и перспектив возможных новых способов производства водорода на базе природного газа;

3) оценка энергетической и экологической эффективности производства водорода на базе комплексного использования природного газа и комбинирования технологических процессов в теплотехнологическом комплексе черной металлургии.

Общие выводы по работе.

1. Впервые на базе концепции интенсивного энергосбережения, выступающей в качестве новой методологической базы решения фундаментальных задач энергетики теплотехнологии, проведен анализ энергетической и экологической эффективности действующих и перспективных систем производств водорода в границах замкнутых теплотехнологических комплексов. Здесь в качестве основного энергетического критерия принята энергоемкость технологии производства водорода на уровне первичного топлива, а в качестве экологического критерия — совокупный выход диоксида углерода на единицу энергии получаемого водорода (в условном исчислении).

2. Определены уровни принципиально возможного повышения энергетической и экологической эффективности действующих способов производства водорода: снижение энергоемкости водорода почти в 3 раза — для электролиза и более чем в 3 раза — для ПВК. А уровни снижения совокупного выхода диоксида углерода соответственно в 3 и 1,67 раза. Однако, даже при полном использовании этого достаточно высокого потенциала, экологически чистое производство водорода в условиях действующих ЗТТК практически невозможно, так как совокупный выброс С02 не может быть снижен до уровня эквивалентного по теплоте сгорания природного газа.

3. Устанавливается перспективность использования продуктов термического разложения природного газа (СВС) в качестве полупродукта для производства водорода. Анализ энергетической эффективности способов термического разложения природного газа (плазмотроны, регенераторы с насадкой и реакторы с жидкометаллическим промежуточным теплоносителем) в условиях ТДИМ показал соответственно следующие значения КПИ: 0,23- 0,42- 0,79 — с заметным преимуществом реакторов с жидкометаллическим промежуточным теплоносителем.

4. Установлена принципиальная возможность радикального снижения энергоемкости получения водорода при реализации технологического использования углеродной части СВС. При этом снижение совокупного выброса С02 по сравнению с природным газом, может быть более, чем в 1,5 раза.

5. Проведен энергетический и экологический анализ способа производства водорода на базе термического разложения природного газа в жидких промежуточных теплоносителях, в условиях ТДИМ. Полная энергоемкость технологии производства водорода принципиально может быть снижена, при технологическом использовании углерода, более чем в 7 раз, а совокупный выход С02 более, чем в 14 раз по сравнению с лучшими действующими способами производства водорода.

6. Разработано несколько принципиально-конструктивных схем реактора получения СВС в жидкометаллическом расплаве, на уровне патентов РФ на изобретение и полезные модели.

7. Разработаны модули расчетов для определения термодинамических и кинетических параметров экстремальных источников энергии (СВС и ЭХА). Эти модули представлены и используются в качестве программного средства учебного назначения (ПСУН) в МЭИ (ТУ).

8. Разработана модель энергосберегающего и экологически эффективного крупномасштабного производства водорода на базе комбинирования технологических процессов и комплексного использования природного газа в черной металлургии. В предлагаемой модели производство водорода характеризуется не затратами энергии, а крупномасштабным суммарным энергосберегающим эффектом, который в условиях практической модели достигает 5,98 кг у.т./м (Н2), что более чем в 15 раз выше энергоемкости лучших действующих способов производства водорода, а выделение С02 в атмосферу при производстве водорода может быть снижено почти на 11 м3(С02)/кг у.т.(Н2), что соответствует снижению выхода С02 в атмосферу, по сравнению с природным газом (эквивалентного по теплоте) более, чем в 13 раз.

9. Показана перспектива существенного повышения энергетической и экологической эффективности черной металлургии при комбинировании производства стали, водорода, цементного клинкера, как в условиях получения СВС на базе жидкометаллических промежуточных теплоносителей, так и на базе плазмотронов. Расчетный суммарный энергосберегающий эффект комбинированного производства в первом случае составил 27^-46% (соответственно при 50% и 70% лома) при сокращении совокупного диоксида углерода 28,5^-46,8%, а во втором соответственно 18,8³⁶, 8% и 22,5+32%.

10. Итоги работы свидетельствуют о примере возможного создания энергосберегающего производства водорода на базе природного газа, согласующегося с терминологической формулой: «Водородная энергетика — экологически чистая энергетика».