Пять профессий водорода в энергетике
Применение водорода в энергетике
Автор
Федор Васильев
Федор Васильев
Опубликовано
25 января 2024
25 января 2024
Многие студенты совмещают обучение с подработкой. Кто-то рассматривает ее только как источник дохода, другие успевают обрести вторую профессию и стать в ней признанным экспертом еще до того, как получат диплом в вузе. Подобно студенту, водород все еще учится быть востребованным топливом для двигателей и термоядерных реакторов. Пока соответствующие направления энергетики не стали значимыми, самый легкий и распространенный элемент во Вселенной освоил другие «профессии». Выясним, чем сегодня занят водород.
?
?
?
?
?
?
?
?
Очищает нефть
Бензин, авиационный керосин и дизельное топливо делают из сырой нефти, содержащей примеси азота, серы и металлов. При сгорании они образуют вредные для атмосферы и двигателя вещества, поэтому перед превращением в топливо нефть очищают. Сложность в том, что примеси «вклиниваются» в молекулы углеводородов и обычными химическими методами их оттуда не достать. Поэтому на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) проводят гидроочистку: в ней и участвует водород (от лат. — hydrogen).
В ходе первичной переработки нефть разделяется на фракции: бензиновую, керосиновую, дизельную и вакуумный газойль. На следующем этапе переработки их смешивают с водородом и нагревают до 300−400 градусов. Горячую смесь направляют в реактор, где поддерживается высокое давление и органические соединения серы, азота и других примесей превращаются в сероводород, аммиак, воду и чистые углеводороды. Для ускорения процесса используются катализаторы. После гидроочистки неорганические примеси извлекают, и фракции нефти направляют на дальнейшую переработку.
В ходе первичной переработки нефть разделяется на фракции: бензиновую, керосиновую, дизельную и вакуумный газойль. На следующем этапе переработки их смешивают с водородом и нагревают до 300−400 градусов. Горячую смесь направляют в реактор, где поддерживается высокое давление и органические соединения серы, азота и других примесей превращаются в сероводород, аммиак, воду и чистые углеводороды. Для ускорения процесса используются катализаторы. После гидроочистки неорганические примеси извлекают, и фракции нефти направляют на дальнейшую переработку.
Водород, используемый для гидроочистки фракций нефти, вырабатывается на нашем заводе как побочный продукт каталитического риформинга — процесса, в ходе которого мы улучшаем характеристики бензина.
Виктория Маркова
Инженер-технолог Московского НПЗ
Повышает эффективность работы двигателя
В любом ископаемом топливе содержится водород: нефти, газе и даже угле. Чем больше водорода в составе, тем больше энергии выделится при сгорании топлива и большая его часть в итоге превратится в водяной пар. Это значит, что сократится расход топлива, меньше углекислого газа и оксидов азота попадет в атмосферу, а срок службы двигателя увеличится.
В бензине в среднем содержится 16% водорода. Это на несколько процентов больше, чем в нефти.
Когда бензин попадает в камеру сгорания двигателя, он смешивается с воздухом. Если последнего будет слишком много, расход топлива сократится, однако молекулы воздуха разделят собой молекулы бензина, что снизит эффективность работы двигателя. Выручить может водород. Если впрыснуть его в камеру сгорания, он распространится по всему ее объему и инициирует цепную реакцию. В итоге вся топливная смесь воспламенится одновременно.
В бензине в среднем содержится 16% водорода. Это на несколько процентов больше, чем в нефти.
Когда бензин попадает в камеру сгорания двигателя, он смешивается с воздухом. Если последнего будет слишком много, расход топлива сократится, однако молекулы воздуха разделят собой молекулы бензина, что снизит эффективность работы двигателя. Выручить может водород. Если впрыснуть его в камеру сгорания, он распространится по всему ее объему и инициирует цепную реакцию. В итоге вся топливная смесь воспламенится одновременно.
Превращает уголь в нефть
В ископаемом угле содержится 2,5−5% водорода — в 2−4 раз меньше, чем в нефти. Поэтому при сжигании угля выделяется меньше тепла, чем при использовании нефтепродуктов. Можно ли «добавить» атомы водорода к углю искусственно и получить нефть? Оказывается, да. Этот способ был изобретен почти 100 лет назад и называется гидрогенизацией.
Сильно измельченный уголь смешивают с тяжелыми маслами, также полученными из угля. Смесь нагревают, насыщают водородом и направляют в реактор, где под давлением больше 300 атмосфер молекулы угля разрушаются, а в местах «расщепления» к ним присоединяется водород. Из полученной искусственной нефти можно традиционными методами получить топливо.
Сильно измельченный уголь смешивают с тяжелыми маслами, также полученными из угля. Смесь нагревают, насыщают водородом и направляют в реактор, где под давлением больше 300 атмосфер молекулы угля разрушаются, а в местах «расщепления» к ним присоединяется водород. Из полученной искусственной нефти можно традиционными методами получить топливо.
Делает бензин из мазута
Мазут — самый тяжелый нефтепродукт. Раньше его использовали как топливо для тепловых электростанций (ТЭЦ), но сегодня заменили более экологичным топливом — природным газом. Теперь тяжелый нефтепродукт перерабатывают, извлекая более ценные, светлые, продукты: бензин и дизельное топливо.
Получить бензин из мазута можно с помощью гидрокрекинга. Для этого мазут превращают в вакуумный газойль и нагревают до 260–450 градусов Цельсия при давлении 50–100 атмосфер. В результате длинные молекулы нефти разделяются на более короткие и простые, а изначально короткие насыщаются водородом. Гидрокрекинг дает возможность почти полностью перерабатывать нефть и снизить количество мазута практически до нуля. Процесс идет при участии катализатора.
Охлаждает тепловые станции
Любая электростанция, работающая на топливе, производит энергию в турбогенераторах. Эти огромные машины вырабатывают электричество за счет вращения турбин горячим паром. Во время работы они перегреваются и нуждаются в охлаждении.
Небольшие генераторы обдувают потоком обычного воздуха. Для промышленных установок этого недостаточно, и на помощь приходит водород. Чтобы его использовать, турбогенератор помещают в прочный изолированный корпус. Герметичность важна, так как при контакте с кислородом из воздуха водород становится взрывоопасным. По этой же причине его нельзя сразу подавать в систему охлаждения: сперва камеру заполняют инертным газом, чтобы вытеснить воздух, и только потом закачивают водород.
Водород обладает высокой теплопроводностью, поэтому эффективно отводит тепло. Также он почти в семь раз легче воздуха, что позволяет снизить потери из-за трения, особенно при высоких скоростях вращения турбогенераторов.
Небольшие генераторы обдувают потоком обычного воздуха. Для промышленных установок этого недостаточно, и на помощь приходит водород. Чтобы его использовать, турбогенератор помещают в прочный изолированный корпус. Герметичность важна, так как при контакте с кислородом из воздуха водород становится взрывоопасным. По этой же причине его нельзя сразу подавать в систему охлаждения: сперва камеру заполняют инертным газом, чтобы вытеснить воздух, и только потом закачивают водород.
Водород обладает высокой теплопроводностью, поэтому эффективно отводит тепло. Также он почти в семь раз легче воздуха, что позволяет снизить потери из-за трения, особенно при высоких скоростях вращения турбогенераторов.
© 2024 Онлайн-журнал об энергии и энергетике «Энергия+»
