ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Автономные источники электричества на основе топливных элеменПриложение Е. Состояние и тенденции развития энергетики в России и в мире в XXI веке. Орлов из "Ядерный синтез с инерционным удержанием " Обычно электрическую энергию доставляют к потребителю с помощью линий электропередачи. Однако известно,что потери в линиях электропередачи растут с увеличением расстояния, и поэтому, если в окрестности электростанции нет большого числа потребителей или если потребление энергии неравномерно в течение суток, то избыток энергии целесообразнр использовать для получения водорода. [c.205] Известно, что для получения 1 м водорода при электролизе требуется примерно 5 кВт-ч (1,8- 10 Дж) электроэнергии. Поскольку масса водорода — 90 г-м , а в одном литре воды содержится 11,2% водорода, то это означает, что при электролизе 1 литра воды можно получить 1,24 м водорода, затратив на это 6,2 кВт-ч (2,6- 10 Дж) электрической энергии. Это достаточно энергоемкий процесс. Поэтому, для получения водорода используют еще метод сжигания или метод разложения метана. Естественно, применительно к нашей проблеме необходимо использовать только метод электролиза, но желательно со значительно меньшей затратой электрической энергии. В последнее время были проведены работы, которые показывают, что это сделать можно на основе неравновесной плазмы. [c.205] Необходимо отметить, что для плазмохимических реакций возможно использовать и квазиравновесную плазму, которая получается с помощью мощных дуговых плазмотронов. С использованием ква-зиравновесной плазмы успешно решаются такие важные научные и практические задачи, как получение ацетилена из метана, конверсия угля, синтез тугоплавких соединений и др. Однако свойственная ква-зиравновесной плазме равномерность вклада энергии во все степени свободы не позволяет получить на этой основе селективные химические реакции с высокой энергетической эффективностью. Рассмотрим преимущества неравновесной СВЧ-плазмы на примере получения водорода для водородной энергетики. [c.206] Особенности неравновесных плазмохимических систем определяют большую удельную производительность, низкую металлоемкость и малые весогабаритные характеристики таких реакторов. Пока экспериментальные исследования таких реакторов немногочисленны. До последнего времени эти исследования были связаны с разложением углеводородов в тлеющем разряде и характеризовались очень низкой эффективностью. И только в последнее время в экспериментах по прямому разложению воды в СВЧ-разрядах получена достаточно высокая эффективность [1. [c.206] Зависимость доли энергии, локализуемой в различных каналах электрон-молекулярного взаимодействия, от энергии электронов, рассчитанная приближенно в предположении максвелловской функции распределения электронов по энергиям, приведена на рис. Д.1. Видно, что при Те 1,5 эВ разложение должно определяться в основном колебательным возбуждением, а при более высокой температуре существенным оказывается диссоциативное прилипание. Как следует из расчетов, разложение паров воды и получение водорода в плазме может осуществляться с КПД 50-70%. [c.207] Однако для достижения столь высокой эффективности к разряду предъявляются достаточно жесткие требования. Основным ограничением, как при разложении Н2О через колебательно-возбужденные состояния реагентов, так и через диссоциативное прилипание, является достаточно высокая степень ионизации. Необходимо, чтобы электронная концентрация Пе была бы больше 3 0 мол. Н2О, что при Те = = 1-3 эВ представляется достаточно сложным для экспериментальной реализации в системах умеренного давления. [c.207] Схема СВЧ-реактора приведена на рис. Д.2. СВЧ-излучение мощностью до 1,7 кВт на частоте 2400 МГц поступало в прямоугольный волновод сечением 72 х 34 мм . Реактором служила кварцевая трубка диаметром 38 мм, пересекающая волновод перпендикулярно широкой стенке. Мощность, вкладываемая в плазму, измерялась калориметрической нагрузкой и направленным ответвителем, фиксирующим отраженную от разряда мощность. [c.208] Поток паров воды, поступавших из испарителя в реактор, изменялся в пределах от 0,35 до 1,6 л-атм/с. Верхняя граница значения этого потока лимитировалась производительностью испарителя, а нижняя — срывом разряда на выходе из реактора. Для уменьшения температуры продуктов реакции на выходе из реактора был установлен водяной теплообменник. Разряд стабильно горел в диапазоне давлений от 35 до 60 Торр. Вкладываемая в разряд СВЧ-мощность измерялась калориметрически с помощью водяной нагрузки и составляла 1,2-1,7 кВт. [c.208] Тот факт, что достигнутый в описанном эксперименте предельный КПД ( 40%) все же ниже теоретически рассчитанного максимального, можно объяснить тем, что степень ионизации в системе, по-видимому, была недостаточно высока. [c.209] Прямое разложение паров Н2О в неравновесной плазме сталкивается с ограничениями, связанными со степенью ионизации и с действием радикала ОН. Оба эти ограничения существенно смягчаются при добавлении в систему СО2 и продукта его разложения СО. Наличие в системе окиси углерода приводит к снижению концентрации свободных радикалов ОН за счет практически беспороговой реакции OH-f O— — H-f 02. С другой стороны, СО и СО2 обладают на два порядка большим сечением колебательного возбуждения электронным ударом, чем Н2О, что позволяет существенно снизить требования к степени ионизации. По сути дела, СО2 может выполнять роль физического катализатора для процесса получения Н2 из Н2О в плазме и, не расходуясь, снимать трудности, возникающие при разложении чистого водяного пара. [c.209] В экспериментах с квазиравновесной плазмой электродуговых плазмотронов эффективность данного процесса не превышала 15%. Существенно лучшие результаты можно получить в СВЧ-плазме. Проведенные расчеты позволили определить зависимость эффективности разложения СО2 от степени ионизации и от удельного энерговклада для различных процессов. Оказалось, что КПД диссоциации молекул СО2 сильно зависит от степени ионизации (см. рис. Д.З). Видно, что при фиксированном энерговкладе ( 0,5 эВ/моль) КПД возрастает с увеличением степени ионизации. [c.209] Зависимость КПД от энергетического вклада при фиксированной степени ионизации изображена на рис. Д.4. Из графика на рис. Д.4, во-первых, видно, что в однотемпературном расчете, который справедлив для равновесной плазмы, КПД ниже, чем для двухтемпературного расчета. Во-вторых, КПД зависит от степени ионизации. При высокой степени ионизации (lg(ne/no) = -5,5 и выше, кривая I) КПД оказывается максимальным. [c.209] При определенных условиях происходит интенсивное образование водорода. Недостатком колебательного возбуждения смеси СО2-Н2О является возможность образования побочных продуктов. В оптимальном режиме КПД может достигать 60% при энергозатратах 5 эВ/моль Н2. [c.211] Наиболее высокая эффективность разложения СО2 ( 80%) была достигнута в неравновесном СВЧ-разряде умеренного давления (50-200 ммрт. ст.), когда энергозатраты составляли 3,7 эВ/моль. Необходимо отметить, что если для разложения СО2 использовать несамостоятельный разряд, поддерживаемый сильноточным пучком релятивистских электронов, то реакция может идти и при повышенных давлениях ( 1-3 атм), но при этом предельный КПД не превышает 14%. Эффект плазменного катализа может быть использован для получения водорода и путём разложения метана с образованием водорода и углерода СН4 —2Н2-1-С [2]. [c.211] Экспериментальная установка состояла из нагревателя газа, в котором метан при атмосферном давлении нагревался до температуры 400-600 °С и подавался в камеру СВЧ-плазмотрона, в котором плазма создавалась с помощью четырех магнетронов непрерывного действия. Разряд сообщал газу дополнительный энерговклад, отношение которого к тепловому энерговкладу не превышало 20%. [c.211] Было показано, что использование СВЧ более перспективно по сравнению с обычным термокатализом. Причиной процесса ускорения конверсии метана в водород при СВЧ-воздействии является или нагрев газа до более высоких температур, что приводит к более быстрому разложению метана, или генерация плазмой активных частиц, способствующих разложению метана. [c.211] На рис. Д.6 приведены проанализированные полные энергозатраты на разложение метана в зависимости от СВЧ-затрат. Видно, что СВЧ-затраты малы ( 0,2-0,4 эВ/моль), но они ускоряют процесс. [c.211] Таким образом, проведенная к настоящему времени работа показала, что с точки зрения эффективности процесса получения водорода наиболее перспективными являются плазмохимические процессы, протекающие селективно через колебательно-возбужденное состояние молекул и что наилучшие результаты можно получить, используя неравновесную СВЧ-плазму [1, 3. [c.212] Вернуться к основной статье