CC BY
14УДК 661.961+504.054
О НОВОМ СПОСОБЕ ПРОИЗВОДСТВА ХИМИЧЕСКИ ЧИСТОГО ВОДОРОДА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ ОТХОДОВ И ТОКСИЧНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
11 2 Н.Н. Васильева , С.А. Гарелина , И.И. Климовский
1Академия гражданской защиты МЧС 141435, Московская область, г. Химки, микрорайон Новогорск 2Объединенный институт высоких температур РАН, 125412, Москва, ул. Ижорская, 13/2.
Тел. 7+495+4852311, факс 7+495+4859922, e-mail: [email protected]
Предложено для производства водорода из токсичных органических соединений и полимерных отходов использовать пиролиз, осуществляемый за счет энергии, выделяющейся в результате ассоциации продуктов пиролиза друг с другом и с атомами реагента (паров металла). Разработана схематическая конструкция реактора по производству водорода из названных органических соединений (ОС). Оценены предельные температуры, достигаемые в зоне пиролиза. Оценена эффективность SH преобразования энергии, затраченной на переработку различных ОС в энергию сгорания водорода, полученного в результате этой переработки. Показано, что использование пиролиза существенно снижает затраты энергии на диссоциацию ОС по сравнению со случаем, когда диссоциация молекул ОС осуществляется только за счет электрической энергии. В случае сохранения в процессе пиролиза трудно диссоциируемых двойных химических связей, таких как С=О, Р=О и С=С, для таких веществ, как Vx, зарин, зоман, ПЭ, ПВХ и ПЭТ, > 1. Таким образом, предлагаемый способ переработки ОС можно эффективно использовать не только для решения экологических проблем: уничтожения токсичных органических соединений и полимерных отходов, - но и для производства водорода из названных веществ. Предложенный способ получения водорода может быть использован для производства водорода из ископаемых углеводородов.
ABOUT THE NEW WAY OF MANUFACTURE OF CHEMICALLY PURE HYDROGEN FROM POLYMERIC WASTE AND TOXIC ORGANIC CONNECTIONS
N.N. Vasilijeva1, S.A. Garelina1, I.I. Klimovskii2
'The Academy of Civil Protection of the Ministry of Emergency Situations of Russia 141435 Moscow region, Khimki, microdistrict Novogorsk Joint Institute for High Temperatures RAS 125412 Moscow, Izhorskaya str., 13/2 Tel. 7+495+4852311, fax 7+495+4859922, e-mail: [email protected]
It is offered for manufacture of hydrogen from toxic organic connections and polymeric waste to use the pyrolysis which is carried out due to the energy, released as a result of association the products of the pyrolysis with each other and with atoms of a reagent (the metal vapour).
The schematic design of a reactor on manufacture of hydrogen from the named organic connections (OC) is developed. The limiting temperatures, reached in the zone of pyrolysis, are estimated. The efficiency §H of transformation of the energy spent for processing of various OC in energy of combustion of hydrogen, received as a result of this processing, is estimated.
It is shown, that use of pyrolysis essentially reduces expenses of energy on dissociation OC in comparison with the case when dissociation molecules of OC is carried out only due to the electric energy. In the case of preservation during pyrolysis of difficultly dissociated double chemical communications, such as C=O, P=O and C=C and for such substances as Vx, zarin, zoman, polyethylene, polychlorinevinil and polyethylenetereftalat the value of §H > 1. Thus, the offered way of processing of OC can be used effectively not only for the decision of environmental problems - destructions of toxic organic connections and polymeric waste, - but also for manufacture of hydrogen from the named substances. The offered way of reception of hydrogen can be used for manufacture of hydrogen from mineral hydrocarbons.
Введение
В работе [1] в поисках универсального способа переработки (уничтожения) токсичных и нетоксичных органических соединений (ОС), таких как боевые отравляющие вещества, диоксины, полимерные отходы (ПО) т.д., было показано, что все перечисленные со-
единения характеризуются более или менее однотипным набором атомов различных химических веществ и, следовательно, более или менее однотипным набором химических связей. Это обстоятельство позволило авторам работы [1] обосновать необходимость разработки универсального способа переработки всех названных ОС. Такой способ предложен и проанали-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
зирован на предмет состава продуктов переработки (ПП) различных ОС, затрат энергии и реагента на эту переработку и т.д. в работах [2-6].
Суть этого способа иллюстрируется с помощью представленной на рис. 1 схематической конструкции плазменно-химического реактора по переработке ОС. Реактор содержит реакционную камеру (РК) 1, представляющую собой замкнутый, вакуумно-
плотный, теплоизолированный контур. РК 1 соединена через вентиль 2 с баллоном 3, содержащим инертный (буферный) газ.
Снаружи к РК 1 посредством вакуумных соединений подсоединены вакуумметр 4 и насос 5 для обеспечения рабочего давления инертного газа. Насос 6, осуществляющий поток инертного газа в направлении, показанном стрелкой, установлен внутри РК 1.
29
23
24
28
•27
26 25
18 17
8
Рис. 1. Схематическое изображение реактора по переработке ОС: 1 - реакционная камера; 2 - вентиль; 3 - баллон, содержащий инертный газ; 4 - вакуумметр; 5, 6 - насосы; 7 - резервуар, заполненный ОС; 8 - нагреватель-холодильник; 9 - разрядное устройство; 10 - блок питания; 11 - резервуар, заполненный металлом; 12 - нагреватель; 13 - термостатированный участок; 14 - устройство удаления конденсирующихся продуктов переработки; 15 - модуль устройства удаления конденсирующихся продуктов переработки; 16 - диафрагмы; 17 - устройство удаления монооксида углерода; 18 - модуль устройства удаления монооксида углерода; 19 - металлическая вставка; 20 - фильтр; 21 - система конденсации карбонила металла; 22 - устройство удаления водорода; 23 - модуль устройства удаления водорода; 24 - мембрана; 25 - нагреватель мембраны; 26 - сетка; 27 - насос; 28 - резервуар для сбора водорода; 29 - дозиметры Fig. 1. The schematic image of the reactor on processing Poison Substances (PS): 1 - the reactionary chamber; 2 - the gate; 3 - the balloon, containing inert gas; 4 - the vacuum gauge; 5, 6 - pumps; 7 - the tank filled by PS; 8 - the heater-refrigerator; 9 - the digit device; 10 - the power unit; 11 - the tank filled by the metal; 12 - the heater; 13 - the termostatical site; 14 - the device of condensation; 15 - the module of the device of condensation; 16 - diaphragms; 17 - the device of removal of monooxide carbon;
18 - the module of the device of removal of monooxide carbon; 19 - a metal insert; 20 - a filter; 21 - the system of condensation carbonile metal; 22 - the device of removal of hydrogen; 23 - the module of the device of removal of hydrogen; 24 - the membrane;
25 - the heater of the membrane; 26 - a grid; 27 - a pump; 28 - the tank for gathering of hydrogen; 29 - dosimeters
■ J
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
85
Перерабатываемое ОС поступает в РК 1 в виде пара (возможна организация поступления ОС в РК 1 в виде аэрозоля или мелкодисперсного порошка) из резервуара 7, заполненного перерабатываемым ОС и снабженного нагревателем-холодильником 8, обеспечивающим заданное давление паров ОС. Далее по потоку расположено разрядное устройство (РУ) 9, соединенное с блоком питания 10.
В РУ 9 осуществляется диссоциация молекул ОС на атомы и радикалы. В РУ 9 из резервуара 11, заполненного металлом и снабженного нагревателем 12, поступают пары металла. Эти пары стабилизируют разряд и выполняют роль реагента, вступая в необратимую реакцию ассоциации с продуктами диссоциации ОС и переводя их тем самым в нетоксичные вещества. Вблизи РУ 9 вниз по потоку газа расположен термостатированный участок 13, в который поступают пары металла из резервуара 11. В термостатированном участке 13 завершается конверсия продуктов диссоциации молекул ОС в конечные ПП. Конденсирующиеся ПП осаждаются в съемном устройстве удаления конденсирующихся продуктов переработки 14. Это устройство состоит из нескольких параллельно подключенных модулей 15 (на рис. 1 показан один модуль), каждый из которых снабжен холодильником (на рис. 1 не показан) и представляет собой канал с расположенными внутри него диафрагмами 16, между которыми накапливаются конденсирующиеся ПП. Далее по потоку расположено съемное устройство удаления монооксида углерода 17, представляющее собой несколько включенных параллельно модулей 18 (на рис. 1 показан один модуль), каждый из которых представляет собой канал с расположенными внутри: металлической вставкой 19 из металла, карбо-нил которого образуется в результате взаимодействия с монооксидом углерода; фильтром 20, предназначенным для удаления микрочастиц; системой конденсации карбонила металла 21. Каналы снаружи снабжены устройствами (на рис. 1 не показаны), регулирующими температуру системы конденсации карбонила металла и поддерживающими температуру металлической вставки на уровне, обеспечивающем реакцию образования карбонила металла при попадании на нее молекул монооксида углерода. Далее по потоку расположено съемное устройство удаления водорода 22, представляющее собой несколько включенных параллельно модулей 23 (на рис. 1 показан один модуль), каждый из которых представляет собой канал с расположенной внутри мембраной 24 с нагревателем 25, в нагретом состоянии пропускающей водород и не пропускающей другие газы. Сетка 26 предохраняет мембрану от попадания на нее химически агрессивных веществ. Снаружи РК 1 расположены насос 27 и резервуар для сбора водорода 28. Один из дозиметров 29 контролирует поступление паров ОС в реактор, второй - уровень переработки ОС.
Таблица 1
Продукты переработки (ПП), их масса, Q Эл,
QCa, Wh, §H
Table 1
The products of processing, their weight, Q Эл,
Q Ca, Wh, SH
Органическое соединение ПП Масса, кг Qca кг 03л, кВт-ч Wh, кВт-ч 8H
СаС2 0,96
СЫ 0,1
PO 0,18 0,6 47,61 3,57 0,08
Vx CO 0,11
CS 0,17
H2 0,09
СаС2 0,69
CaF2 0,28
ЗА PO 0,33 0,57 40 2,78 0,07
CO 0,20
Н2 0,07
СаС2 1,06
CaF2 0,21
ЗО PO 0,26 0,77 46 3,57 0,08
CO 0,15
Н2 0,09
СаС2 1,19
Д CaCl2 0,69 1,24 28 0,4 0,01
CaO 0,35
Н2 0,01
СаС2 1,26
Ф CaCl2 0,73 1,18 28 0,4 0,01
CaO 0,18
Н2 0,01
ПЭ СаС2 2,28 1,43 67 5,56 0,08
Н2 0,14
СаС2 1,03
ПВХ CaCl2 0,89 0,96 31 1,99 0,06
Н2 0,05
СаС2 1
ПЭТ CO 0,58 0,63 45 1,99 0,04
Н2 0,05
В табл. 1, составленной по данным работы [5], представлены конечные ПП одного килограмма Ух, зарина (ЗА), зомана (ЗО), диоксина (Д), фурана (Ф), полиэтилена (ПЭ), поливинилхлорида (ПВХ) и поли-этилентерефталата (ПЭТ), затраты на такую переработку реагента (кальция) QCa и электроэнергии QЭл.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
В названной работе кальций выбран в качестве реагента как один из наиболее распространенных на Земле металлов. В каждом конкретном реакторе тип реагента будет определяться необходимостью получения в качестве конечных продуктов определенных химических веществ. Там же приведены количества энергии которые можно получить при сжигании указанных в табл. 1 количеств водорода, получаемых в процессе переработки одного килограмма ОС. В этой же таблице приведены значения параметра
SH = ^п/0зл,
(1)
реагента (образования первичных ПП или продуктов ассоциации) выделяется энергия, ее можно использовать для диссоциации перерабатываемых ОС.
Для полной диссоциации отдельной молекулы ОС требуется энергия, равная
G =1 (En)
(2)
характеризующего эффективность преобразования энергии, затраченной на переработку ОС, в энергию сжигания водорода, полученного в результате этой переработки. При расчете SH предполагалось, что энергия, которая выделяется при сжигании одного килограмма водорода, равна 39,48 кВт-ч [7].
Из табл. 1 видно, что эффективность SH переработки ОС в водород по способу, предложенному и проанализированному в работах [2-6], низка. Когда речь идет, например, о переработке химического оружия (ХО), то величина SH большого значения не имеет. Главным является уничтожение ХО. Однако при переработке ПО этот вопрос приобретает существенное значение, поскольку говорить о производстве водорода, например, из ПО, можно будет только в том случае, если реализуется условие SH > 1.
По-видимому, единственным средством повышения значения SH рассмотренного выше способа переработки ОС заключается в снижении энергозатрат на переработку ОС до уровня, обеспечивающего выполнение условия SH > 1. И такое средство существует.
Пиролиз - средство, обеспечивающее снижение энергозатрат на переработку ОС
Учитывая, что в процессе ассоциации атомов и радикалов друг с другом и с атомами металла-
Энергии GдЕ и GаЕ и Energy Gr е and G аЕ and
где I - тип связи в молекуле ОС, п, - число однотипных связей в молекуле, Е, - энергия разрыва связи 1-го типа.
При ассоциации атомов, образовавшихся при диссоциации молекулы ОС, друг с другом и атомами металла-реагента выделяется энергия
^ =1 П^ (ЕП ), (3)
I 1
где ] - тип связи в продуктах ассоциации, п - число однотипных связей в продуктах ассоциации, Е - энергия разрыва связи 1-го типа, I - тип молекул, образующихся в результате ассоциации, п - число однотипных молекул или радикалов в продуктах ассоциации.
Очевидно, что энергия ОдЪ, необходимая для диссоциации одного килограмма ОС, и энергия Оа1/, выделяющаяся в результате образования из одного килограмма ОС продуктов ассоциации, будут соответственно равны
(4)
G у = NG ;
ДУ Д >
Gy= NGñ
(5)
где N - число молекул ОС в одном килограмме.
В табл. 2 представлены результаты расчета энергий ОдЪ и и их разницы ^ = - ОдЪ) для одного килограмма различных ОС. Эти результаты свидетельствуют о том, что энергия ассоциации может быть использована для подогрева молекул ОС и, следовательно, для их пиролиза. Очевидно, что использование пиролиза хотя бы для частичной диссоциации молекул ОС приведет к снижению энергозатрат на диссоциацию названных молекул в разряде.
их разница Q (кВт-ч) their difference Q (kW-h)
Таблица 2 Table 2
ОС Vx ЗА ЗО Д Ф ПЭ ПВХ ПЭТ
Ggy 13,98 12,02 13,88 8,57 8,72 20,11 9,31 13,53
Gay 17,59 13,57 16,22 11,39 11,65 25,09 12,1 15,98
Q 3,61 1,55 2,34 2,82 2,93 4,98 2,79 2,45
Для реализации пиролиза в реакторе, изображенном на рис. 1, из него надо удалить РУ 9, блок питания 10, термостатированный участок 13 и заменить их узлом пиролиза, схематически изображенным на рис. 2. Этот узел располагается вдоль газового потока 1 и включает в себя теплоизолированный канал 2,
помещенный в тепловую изоляцию 3 и снабженный на входе устройством 4, инициирующим пиролиз перерабатываемых ОС. Инициирование пиролиза может осуществляться, например, непрерывным или импульсным разрядами или простым подогревом газовой смеси, состоящей из инертного газа, молекул
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
ОС и паров (мелкодисперсных частиц) металла, до некоторой температуры, инициирующей начало пиролиза. По мере продвижения газовой смеси вдоль термостойкого канала ее температура будет возрастать, способствуя пиролизу все большей части молекул ОС. В итоге на выходе термостойкого канала образуется газовая смесь, преимущественную часть которой должны составлять ПП ОС.
KnABnr = nnBnr,
(6)
где К - константа равновесия, «дв, пА, пВ - концентрации молекул АВ, атомов Д и В, пГ - концентрация атомов инертного газа. С учетом того, что пдв = = (1 - а)пдв и пА = пв = апдв (а - степень диссоциации молекулы АВ), уравнение (6) принимает вид
а2 + aK/n - K/n = 0, решение его выглядит следующим образом:
" 2n +Ш 2n
K
(7)
(8)
В случае одинаковых атомов условие равновесия для химической реакции А2 + М ^ А + А + М можно записать в виде
КпдвПг = ПаПаПГ. (9)
С учетом того, что пАВ = (1 - а)пАВ и пА = 2апДВ, уравнение (9) преобразуется в уравнение
а2 + аК/4п - К/4п = 0, (10)
решение которого выглядит следующим образом:
= 8n VI 8nJ 4n
(11)
Рис. 2. Схематическое изображение узла пиролиза: 1 - газовый поток; 2 - термостойкий канал; 3 - тепловая изоляция; 4 - устройство, инициирующее пиролиз
перерабатываемых ОС Fig. 2. The schematic image of the unit of pyrolysis: 1 - the gas stream; 2 - the heat-resistant channel; 3 - the thermal isolation; 4 - the device of initiating pyrolysis of processed PS
Детальный состав этой смеси можно определить в результате численных экспериментов, учитывающих кинетику диссоциации и ассоциации молекул, радикалов и атомов, участвующих в пиролизе. Еще до недавнего времени такой численный эксперимент вряд ли был возможен. Но после определения констант скоростей термической диссоциации и трех-частичной ассоциации более чем ста сорока двухатомных молекул и радикалов [8] проведение такого эксперимента представляется вполне реальным.
В данной работе в приближении термодинамического равновесия проведена оценка эффективности переработки различных ОС в водород с учетом пиролиза. При этом предполагалось, что потери тепла через тепловую изоляцию отсутствуют. Кроме того, предполагалось, что концентрация молекул ОС много меньше концентрации атомов инертного газа и что каждый тип связи в молекуле ОС условно соответствует двухатомной молекуле или радикалу. В этом случае условие равновесия для реакции образования и разрушения химической связи между различными атомами АВ + М ^ А + В + М можно записать в виде:
Значения констант равновесия К для каждого типа связи в молекулах ОС рассчитывались по данным [8]. Результаты расчета К для каждого типа связи и степени диссоциации аi этой связи в молекулах различных ОС для различных температур представлены в табл. 3.
При анализе данных табл. 3 обращают на себя внимание два обстоятельства. Во-первых, химические связи в молекулах ОС условно можно разделить на легко и трудно диссоциируемые. К последним следует отнести связи С=С, Р=0 и С=0. Связи Р-0 и Р-Б следует, по-видимому, отнести к промежуточному варианту. Во-вторых, чем меньше концентрация п молекул ОС, тем при меньших температурах происходит практически полная диссоциация легко диссоциируемых связей. Так, например, при п = 1015 см-3 такая диссоциация имеет место при температуре 2500 К, а при п = 1018 см-3 - при 3500 К.
Количество энергии О', которую необходимо затратить для диссоциации не разорвавшихся при заданной температуре в результате пиролиза связей в отдельной молекуле ОС, и количество энергии Од'Е,
которую необходимо затратить на диссоциацию не разорвавшихся в результате пиролиза связей в одном килограмме ОС, соответственно равны:
G'=I En (1 -а,.);
Gi = щ.
(12)
(13)
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
4
2
3
Таблица 3
Ri и ai для связей, входящих в состав ОС
Table 3
Ri and ai for the communications which are the parts of PS
Т, К
500 1000 1500 2000
Тип связи ai ai ai ai
К, см-3 n, см-3 К см-3 n, см-3 К см-3 n, см-3 К см-3 n, см-3
1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017
C-C 1,4E-12 1 ,BE-14 5,BE-15 1 ,BE-15 2,4Е+06 2,5E-05 7,BE-06 2,5E-06 2,7E+12 0,03 0,00B 0,003 2,6E+15 0,55 0,23 0,0B
C-H 1,5E-11 1,2E-13 3,BE-14 1,2E-14 4,1Е+06 6,5E-05 2,0E-05 6,5E-06 2,5E+12 0,05 0,02 0,005 1,9E+15 0,72 0,35 0,13
C-S 1,4E-07 1,2E-09 3,BE-10 1,2E-10 6,BE+10 0,00B 0,003 0,000B 2,2E+15 0,75 0,37 0,14 3,BE+17 0,997 0,9B 0,B2
C-CI 6,BE-1B B,3E-17 2,6E-17 B,3E-1B 34BB,65 1,9E-06 5,9E-07 1,9E-07 2,5E+10 0,005 0,002 0,0005 6,6E+13 0,23 0,0B 0,03
C=C B,5E-39 1,5E-27 4,6E-2B 1,5E-2B 3,0E-07 B,7E-12 2,BE-12 B,7E-13 B91B,0B7 1,5E-06 4,7E-07 1,5E-07 1,5E+09 0,0006 0,0002 6,0E-05
C-O 3,4E-12 5,BE-14 1,9E-14 5,BE-15 1,5Е+06 3,9E-05 1,2E-05 3,9E-06 1,1E+12 0,03 0,01 0,003 B,BE+14 0,60 0,26 0,09
P-O 9,4E-20 9,7E-1B 3,1E-1B 9,7E-19 250,72 5,0E-07 1,6E-07 5,0E-0B 3,2E+09 0,002 0,0006 0,0002 1,1E+13 0,099 0,03 0,01
P=O 3,6E-3B 6,0E-27 1,9E-27 6,0E-2B 3,6E-07 1,9E-11 6E-12 1,9E-12 7013,04 2,6E-06 B,4E-07 2,6E-07 9,4E+0B 0,001 0,0003 9,7E-05
P-F 3,4E-23 1,9E-19 5,BE-20 1,9E-20 4,40 6,6E-0B 2,1E-0B 6,6E-09 2,0E+0B 0,0004 0,0001 4,5E-05 1,6E+12 0,04 0,01 0,004
P-C 0,0001 3,7E-10 1,2E-10 3,7E-11 9,2E+09 0,003 0,001 0,0003 3,4E+14 0,44 0,17 0,062 6,4E+16 0,9B 0,BB 0,54
C=O 1,BE-50 4,3E-33 1,3E-33 4,3E-34 5,BE-13 2,4E-14 7,6E-15 2,4E-15 1,66 4,1 E-0B 1,3E-0B 4,1 E-09 2643637 5,1 E-05 1,6E-05 5,1E-06
P-S 3,17 5,6E-0B 1,BE-0B 5,6E-09 1,2E+12 0,03 0,01 0,004 B,4E+15 0,90 0,59 0,25 6,6E+17 0,99 0,9B 0,BB
C-N 1,4E-07 1,2E-11 3,BE-12 1,2E-12 3,6E+0B 0,0006 0,0002 6,0E-05 4,6E+13 0,19 0,07 0,02 1,6E+16 0,94 0,69 0,32
Т, К
2500 3000 3500 4000
Тип связи ai ai ai a
К, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3
1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017
C-C 1,6E+17 0,9B 0,B3 0,46 2,5E+1B 0,99B 0,9B 0,BB 1,7E+19 0,9997 0,99B 0,9B 7,1 E+19 0,9999 0,9994 0,99
C-H 9,5E+16 0,99 0,91 0,619 1,3E+1B 0,9992 0,99 0,93 B,3E+1B 0,999B 0,999 0,99 3,3E+19 0,99997 0,999699 0,997
C-S B,1E+1B 0,9999 0,999 0,99 6,1 E+19 0,9999B 0,999B 0,99B 2,6E+20 0,999996 0,99996 0,9996 7,4E+20 0,999999 0,99999 0,9999
C-CI 7,1E+15 0,B9 0,56 0,23 1,6E+17 0,994 0,94 0,70 1,5E+1B 0,999 0,99 0,94 7,6E+1B 0,9999 0,999 0,99
C=C 1,9E+12 0,02 0,007 0,003 2,2E+14 0,21 0,07 0,02 6,4E+15 0,70 0,33 0,12 B,0E+16 0,95 0,73 0,36
As-CI 1,9E+17 0,99 0,95 0,72 1,9E+1B 0,9994 0,99 0,95 9,BE+1B 0,9999 0,999 0,99 3,4E+19 0,99997 0,9997 0,997
C-As 1,7E+19 0,99994 0,9994 0,99 B,1E+19 0,99999 0,9999 0,999 2,5E+20 0,99999 0,9999 0,9996 5,6E+20 0,99999B 0,9999B 0,999B
C-O 4,BE+16 0,9B 0,B5 0,49 6,BE+17 0,999 0,99 0,BB 4,5E+1B 0,999B 0,99B 0,9B 1,BE+19 0,99995 0,9995 0,995
P-O 1,4E+15 0,6B 0,31 0,11 3,6E+16 0,97 0,B2 0,45 3,6E+17 0,997 0,97 0,B2 2,0E+1B 0,999 0,99 0,96
P=O 1,1E+12 0,03 0,01 0,003 1,2E+14 0,296 0,10 0,03 3,3E+15 0,B0 0,43 0,16 4,0E+16 0,9B 0,B3 0,46
P-F 2,6E+14 0,40 0,15 0,05 B,6E+15 0,90 0,59 0,25 1,0E+17 0,99 0,92 0,62 6,6E+17 0,999 0,99 0,BB
P-C 1,5E+1B 0,9993 0,99 0,94 1,2E+19 0,9999 0,999 0,99 5,0E+19 0,9999B 0,999B 0,99B 1,5E+20 0,999993 0,99993 0,9993
C=O 1,3E+10 0,004 0,001 0,0004 3,9E+12 0,06 0,02 0,006 2,2E+14 0,37 0,14 0,05 4,4E+15 0,B4 0,4B 0,19
P-S B,9E+1B 0,999B 0,99B 0,9B 5,0E+19 0,9999B 0,999B 0,99B 1,7E+20 0,999994 0,99994 0,9994 4,3E+20 0,99999B 0,9999B 0,999B9
C-N 5,0E+17 0,99B 0,9B 0,B5 5,0E+1B 0,999B 0,99B 0,9B 2,6E+19 0,99996 0,9996 0,996 B,7E+19 0,9999B 0,999B 0,99B
¿í ¿Í
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
89
Результаты расчета энергии Од'Е представлены в
табл. 4. В столбцах Ух, зарин (ЗА), зоман (ЗО), диоксин (Д), фуран (Ф), полиэтилен (ПЭ), поливинилхло-рид (ПВХ) и полиэтилентерефталат (ПЭТ) приведены результаты расчета, полученные в предположении, что при диссоциации этих молекул рвутся все химические связи. В столбцах ЗА1, Д1, Ф1 и ПЭТ1 -результаты, полученные в предположении, что связи С=О, Р=О и С=С сохраняются.
Сопоставление данных разных столбцов показывает, что в диапазоне температур 500-3000 К, кото-
рые могут рассматриваться как рабочие, при использовании в качестве конструкционных материалов углеграфитовых материалов степень диссоциации связей С=О, Р=О и С=С мала и дополнительные затраты, например, электрической энергии, используя которую можно осуществить диссоциацию указанных связей, достаточно велики. Поэтому представляется целесообразным организовывать пиролиз ОС таким образом, чтобы связи С=О, Р=О и С=С сохранялись и соответствующие этим связям молекулы (радикалы) входили в состав ПП.
Таблица 4
Энергия G' (кВт-ч)
Energy G' (kW-h)
Table 4
Т, К n, см-3 Vx ЗА ЗА1 ЗО ЗО1 Д Д1 Ф Ф1 ПЭ ПВХ ПЭТ ПЭТ1
500 1015 13,95 12,02 10,85 13,88 12,98 8,57 5,47 8,72 5,46 20,11 9,31 13,53 8,85
1016 13,95 12,02 10,85 13,88 12,98 8,57 5,47 8,72 5,46 20,11 9,31 13,53 8,85
1017 13,95 12,02 10,85 13,88 12,98 8,57 5,47 8,72 5,46 20,11 9,31 13,53 8,85
1000 1015 13,95 12,01 10,85 13,88 12,98 8,57 5,47 8,72 5,46 20,11 9,31 13,53 8,85
1016 13,95 12,02 10,85 13,88 12,98 8,57 5,47 8,72 5,46 20,11 9,31 13,53 8,85
1017 13,95 12,02 10,85 13,88 12,98 8,57 5,47 8,72 5,46 20,11 9,31 13,53 8,85
1500 1015 12,75 11,41 10,24 13,22 12,32 8,42 5,32 8,58 5,32 19,29 9,01 13,2 8,52
1016 13,44 11,81 10,64 13,66 12,76 8,52 5,42 8,68 5,42 19,85 9,22 13,43 8,75
1017 13,77 11,95 10,78 13,81 12,91 8,56 5,46 8,71 5,45 20,03 9,28 13,5 8,82
2000 1015 4,62 5,49 4,32 5,79 4,89 5,76 2,66 5,96 2,69 6,83 4,02 7,92 3,25
1016 8,96 8,74 7,58 9,95 9,05 7,36 4,26 7,54 4,27 13,96 6,93 11 6,32
1017 11,76 10,71 9,55 12,37 11,47 8,15 5,05 8,31 5,04 17,90 8,46 12,63 7,95
2500 1015 0,88 2,03 0,90 1,63 0,76 3,26 0,23 3,43 0,24 0,30 0,31 4,76 0,15
1016 2,10 3,37 2,21 3,13 2,24 4,26 1,18 4,44 1,20 2,33 1,69 5,81 1,15
1017 5,87 6,39 5,23 6,96 6,06 6,14 3,04 6,32 3,06 8,85 4,75 8,79 4,12
3000 1015 0,46 0,94 0,11 0,73 0,09 2,47 0,01 2,60 0,01 0,02 0,02 4,02 0,01
1016 0,74 1,63 0,59 1,30 0,50 3,01 0,13 3,16 0,13 0,21 0,18 4,56 0,11
1017 1,74 2,92 1,79 2,65 1,78 3,88 0,85 4,05 0,86 1,75 1,22 5,47 0,86
3500 1015 0,12 0,24 0,01 0,19 0,01 0,94 0,002 0,99 0,002 0,003 0,002 2,09 0,002
1016 0,38 0,77 0,11 0,60 0,09 2,10 0,02 2,21 0,02 0,03 0,02 3,55 0,02
1017 0,75 1,57 0,60 1,29 0,53 2,89 0,16 3,04 0,16 0,31 0,23 4,43 0,16
4000 1015 0,015 0,03 0,002 0,02 0,002 0,14 0,0004 0,15 0,0004 0,0008 0,0005 0,45 0,0004
1016 0,11 0,22 0,02 0,17 0,02 0,84 0,004 0,88 0,004 0,008 0,005 1,78 0,004
1017 0,39 0,80 0,17 0,63 0,15 2,03 0,04 2,13 0,04 0,08 0,05 3,39 0,04
Итак, если не стремиться к диссоциации трудно диссоциируемых химических связей, то практически полную диссоциацию легко диссоциируемых связей можно обеспечить при температурах на уровне 25003000 К, снизив тем самым количество электроэнергии, необходимой для разрыва оставшихся легко диссоциируемых связей, на порядок и более по срав-
нению с тем количеством электроэнергии, которое требуется для разрыва всех легко диссоциирующих связей. Именно такой вариант предполагался в способе переработки токсичных ОС, предложенном и проанализированном в работах [2-6].
Прежде чем перейти к оценке температур, при которых должен осуществляться пиролиз ОС, и
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
кул ОС, друг с другом и с атомами металла. Или, говоря другими словами, чем большие энергии будут выделены в результате образования продуктов ассоциации, или, что то же самое, чем большие концентрации названных продуктов будут достигнуты в реагирующей газовой смеси.
Таблица 5
Ki и ai для связей, входящих в первичные ПП ОС
Table 5
Ki and at for the communications entering into the primary products of processing of PS
оценке параметра §Н , определяемого соотношением (1), обратим внимание на следующее обстоятельство. Термическая диссоциация перерабатываемых ОС будет тем выше, чем большие температуры будут реализованы за счет трехчастичной ассоциации атомов, образующихся в результате диссоциации моле-
Т, К
Тип 500 1000 1500 2000
свя- ai ai ai ai
зи К, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3 Ki, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3
1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017
C=C B,7E-39 1,5Е-27 4,7E-2B 1,5E-2B Э,1 E-07 B,7E-12 2,BE-12 B,7E-13 B9B5,G1 1,5E-G6 4,7E-07 1,5E-07 1,4E+G9 0,0006 0,0002 6,GE-G5
CeC 5,5E-62 3,7E-39 1,2E-39 3,7E-4G 1,2E-1B 1,7E-17 5,4E-1B 1,7E-1B 0,0003 2,7E-1G B,4E-11 2,7E-11 4166,6 1,GE-G6 3,2E-G7 1,GE-G7
C-S 3,3E-50 5,7E-33 1,BE-33 5,7E-34 7,2E-1 Э 2,7E-14 B,5E-15 2,7E-15 1,B1 4,3E-GB 1,3E-GB 4,3E-G9 2,7E+G6 5,2E-G5 1,6E-G5 5,2E-G6
H-H 2,7E-21 B,3-19 2,6E-19 B,3E-2G 126,B 1 ,BE-G7 5,6E-GB 1,BE-GB 4,1E+G9 0,001 0,0003 0,0001 2,2+1 Э 0,07 0,02 0,007
Ca-Cl 3,2E-19 1 ,BE-17 5,6E-1B 1,BE-1B 299,2 5,5E-G7 1,7E-G7 5,5E-GB 2,72E+G9 0,002 0,0005 0,0002 7,9E+12 0,09 0,03 0,009
Ca-F 9,04E-33 3,GE-24 9,5E-25 3,GE-25 6,6E-G5 2,6E-1G B,1E-11 2,6E-11 1,1E+G5 1,1E-G5 3,4E-G6 1, 1E-06 4,BE+G9 0,002 0,0007 0,0002
Ca-O 2,4E-17 1,6E-16 4,9E-17 1,6E-17 2097,0 1,5E-G6 4,6E-G7 1,5E-G7 B,6E+G9 0,003 0,0009 0,0003 1,7E+1 Э 0,12 0,04 0,01
C-O 4,BE-B7 2,2Е-51 6,9E-52 2,2E-52 1,4E-3G 3,BE-23 1,2E-23 3,BE-24 B,4E-12 9,2E-14 2,9E-14 9,2E-15 0,02 4,4E-09 1,4E-09 4,4E-10
P-O 3,2E-3B 5,7E-27 1,BE-27 5,7E-2B 3,4E-G7 1,9E-11 5,BE-12 1,9E-12 6774,15 2,6E-G6 B,2E-G7 2,6E-G7 9,1 E+GB 0,001 0,0003 9,5E-G5
Ca-C 4,0E-21 2,GE-1B 6,4E-19 2,GE-19 62,57 2,5E-G7 7,9E-GB 2,5E-GB 1,4E+G9 0,001 0,0004 0,0001 6,6E+12 G,GB 0,0Э 0,0GB
CS Э,1 E-5G 5,5E-33 1,7E-33 5,5E-34 6,9E-13 2,6E-14 B,3E-15 2,6E-15 1,77 4,2E-GB 1,3E-GB 4,2E-G9 2,6E+G6 5,2E-G5 1,6E-G5 5,2E-G6
CN 1,7E-63 1,4E-39 4,2E-4G 1,3E-4G 3,3E-19 1 ,BE-17 5,7E-1B 1,BE-1B 0,0002 4,1E-10 1,3E-1G 4,1E-11 Э505,0 1,9E-G6 5,9E-G7 1,9E-G7
Т, К
Тип связи 2500 Э000 Э500 4000
ai ai а ai
К, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3 К, см-3 n, см-3
1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017 1015 1016 1017
C=C 1,9E+12 G,G2 0,007 0,002 2,2E+14 0,21 0,07 0,02 6,4E+15 0,70 0,ЭЭ 0,12 BE+16 0,95 0,7Э 0,36
CeC B,GE+G7 0,0001 4,5E-05 1,4E-05 5,6E+1G 0,004 0,001 0,0004 6,0E+12 0,04 0,01 0,004 1,9E+14 0,20 0,07 0,02
C-S 1,3E+1G 0,004 0,001 0,0004 3,BE+12 0,06 0,02 0,006 2,1E+14 0,Э6 0,1Э 0,04 4,1 E+15 G,B3 0,47 G,1B
H-H 3,7E+15 0,61 0,26 0,09 1,1E+17 0,97 G,7B 0,41 1,2E+1B 0,997 0,97 G,BG 7,4E+1B 0,9995 0,995 0,95
Ca-Cl 9,4E+14 0,61 0,26 0,09 2,2E+16 0,96 0,75 G,3B 2,2E+17 0,995 0,96 0,74 1,2E+1B 0,9992 0,992 0,9Э
Ca-F 2,BE+12 0,05 0,02 0,005 1,9E+14 0,35 0,1Э 0,04 3,9E+15 G,B2 0,46 0,1 B 3,7E+16 0,97 G,B2 0,45
Ca-O 1,6E+15 0,70 0,ЭЭ 0,12 3,3E+16 0,97 G,BG 0,4Э 2,BE+17 0,997 0,97 G,7B 1,4E+1B 0,999Э 0,99Э 0,94
C-O 7Э50,7 2,7E-06 B,6E-G7 2,7E-07 3,7E+G7 0,0002 6,1 E-05 1,9E-G5 1,6E+1G 0,004 0,001 0,0004 1,5E+12 0,04 0,01 0,004
P-O 1,1E+12 0,04 0,01 0,003 1,2E+14 0,29 0,10 0,0Э 3,2E+15 G,BG 0,43 0,16 3,9E+16 G,9B G,B3 0,46
Ca-C 1,GE+15 0,62 0,27 0,096 2,9E+16 0,97 0,79 0,41 3,1E+17 0,997 0,97 G,BG 1,BE+1B 0,9995 0,995 0,95
CS 1,3E+1G 0,004 0,001 4,GE-G5 3,7E+12 0,06 0,2 0,006 2,1E+14 0,Э6 0,13 0,04 4,1 E+15 G,B3 0,47 G,1B
CN B,3E+G7 0,0003 9,1E-05 2,9E-G5 6,7E+1G 0,0GB 0,003 0,00GB 7,BE+12 G,GB 0,03 0,009 2,73E+14 0,40 0,15 0,05
¿í ¿Í
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
91
Очевидно, что на концентрацию продуктов ассоциации основное влияние оказывают два процесса. Во-первых, процесс термической диссоциации молекул ОС с последующей ассоциацией атомов, образующихся в результате диссоциации, в продукты ассоциации. Во-вторых, процесс термической диссоциации таких продуктов. Сочетание этих двух процессов, различным образом зависящих от температуры, приводит к тому, что существует некоторая максимально достижимая концентрация продуктов ассоциации и соответствующая ей максимально достижимая температура Ттах.
Основу для проведения оценок значений 7тах составляют данные табл. 5, в которой приведены типы химических связей, реализующихся в продуктах ассоциации, константы равновесия для этих связей, рассчитанные по данным [8], и степени их диссоциации.
Количества энергии при заданной температуре О', которая выделяется при образовании продуктов
ассоциации из одной молекулы ОС, и О' , выделяющейся при образовании продуктов ассоциации при переработке одного килограмма ОС, будут равны
О' = Х Щ £ En. (1 -a .);
no, .
(14)
(15)
G,
Количества энергии при заданной температуре затраченной на пиролиз молекулы ОС, и ОиЕ, затрачиваемой на пиролиз одного килограмма ОС, будут равны
О = О - О'; (16)
п Д Д > V /
ОпNGn
(17)
Результаты расчетов энергий О', и ОпЪ для одного килограмма ОС представлены в табл. 6 и 7 соот-
ветственно.
Энергия О' (кВт-ч)
Energy О; (kW-h)
Таблица 6
Table 6
Т, К n, см-3 Vx ЗА ЗА1 ЗО ЗО1 Д Д1 Ф Ф1 ПЭ ПВХ ПЭТ ПЭТ1
500 1015 17,59 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 8,29 11,65 8,38 25,09 28,20 15,98 11,30
1016 17,59 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 8,29 11,65 8,38 25,09 28,20 15,98 11,30
1017 17,59 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 8,29 11,65 8,38 25,09 28,20 15,98 11,30
1000 1015 17,59 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 8,24 11,65 8,33 25,09 28,20 15,98 11,26
1016 17,59 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 8,28 11,65 8,37 25,09 28,20 15,98 11,29
1017 17,59 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 8,29 11,65 8,38 25,09 28,20 15,98 11,29
1500 1015 17,58 13,56 12,39 16,21 15,31 11,38 7,22 11,64 7,25 25,07 28,17 15,97 10,40
1016 17,58 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 7,55 11,64 7,60 25,08 28,19 15,98 10,67
1017 17,58 13,57 12,40 16,22 15,32 11,39 7,96 11,64 8,03 25,08 28,20 15,98 11,02
2000 1015 17,04 13,06 11,90 15,79 14,64 10,80 6,55 5,96 6,60 23,82 26,68 15,51 9,87
1016 17,41 13,40 12,24 16,00 15,10 11,20 6,96 11,46 7,00 24,67 27,70 15,82 10,19
1017 17,53 13,52 12,35 16,15 15,25 11,33 7,18 11,59 7,22 24,95 28,04 15,93 10,37
2500 1015 13,06 9,33 8,20 10,57 9,70 6,94 2,69 7,20 2,73 14,70 16,15 12,18 6,53
1016 15,63 11,74 10,58 13,77 12,88 9,43 5,19 9,70 5,23 20,57 22,96 14,32 8,68
1017 16,90 12,93 11,76 15,36 14,46 10,70 6,46 10,96 6,50 23,50 26,36 15,4 9,76
3000 1015 10,19 6,29 5,46 6,84 6,20 4,48 0,24 4,70 0,25 8,68 9,19 9,98 4,35
1016 11,72 8,00 6,95 8,88 8,07 5,82 1,57 6,05 1,59 11,81 12,93 11,13 5,49
1017 14,55 10,71 9,59 12,43 11,56 8,49 4,25 8,74 4,27 18,16 20,29 13,45 7,80
3500 1015 9,12 4,90 4,67 5,59 5,41 4,11 0,02 4,33 0,03 7,89 8,28 9,65 4,17
1016 9,95 5,97 5,31 6,57 6,06 4,43 0,23 4,65 0,24 8,56 9,08 9,93 4,34
1017 11,54 7,78 6,80 8,65 7,90 5,77 1,54 6,00 1,54 11,58 12,73 11,04 5,41
4000 1015 7,23 4,06 4,03 4,63 4,61 3,41 0,004 3,59 0,004 6,54 6,86 8,85 4,15
1016 8,78 4,80 4,60 5,47 5,31 4,01 0,04 4,21 0,04 7,69 8,08 9,51 4,18
1017 9,94 6,04 5,41 6,67 6,19 4,55 0,39 4,76 0,39 8,80 9,41 9,99 4,45
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Таблица 7
Энергия ОпЪ (кВт-ч)
Table 7
Energy Gnz (kW-h)
Т, К n, см-3 Vx ЗА ЗА1 ЗО ЗО1 Д Д1 Ф Ф1 ПЭ ПВХ ПЭТ ПЭТ1
500 1015 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1016 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1017 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1000 1015 0,01 0,002 0,002 0,002 0,002 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0,001 0,0004 0,0004 0,0004
1016 0,004 0,0007 0,0007 0,0006 0,0006 0 0 0 0 0,0003 0,0001 0,0001 0,0001
1017 0,001 0,0002 0,0002 0,0002 0,0002 0 0 0 0 0,0001 0 0 0
1500 1015 1,2 0,61 0,61 0,66 0,66 0,15 0,15 0,14 0,14 0,81 0,30 0,33 0,33
1016 0,5 0,21 0,21 0,22 0,22 0,05 0,05 0,05 0,05 0,26 0,1 0,11 0,11
1017 0,18 0,07 0,07 0,07 0,07 0,01 0,01 0,01 0,01 0,08 0,03 0,03 0,03
2000 1015 9,33 6,53 6,53 8,09 8,09 2,81 2,81 2,77 2,7 13,28 5,30 5,61 5,61
1016 4,98 3,27 3,27 3,93 3,93 1,21 1,21 1,19 1,19 6,15 2,38 2,53 2,53
1017 2,18 1,30 1,30 1,51 1,51 0,45 0,42 0,42 0,42 2,22 0,85 0,90 0,90
2500 1015 13,07 9,99 9,95 12,25 12,22 5,31 5,24 5,30 5,23 19,81 9,00 8,77 8,70
1016 11,84 8,64 8,64 10,75 10,74 4,31 4,29 4,28 4,26 17,78 7,62 7,73 7,71
1017 8,07 5,62 5,62 6,92 6,92 2,43 2,43 2,41 2,40 11,26 4,57 4,74 4,73
3000 1015 13,49 11,07 10,74 13,15 12,89 6,10 5,46 6,13 5,45 20,09 9,29 9,51 8,84
1016 13,21 10,38 10,26 12,58 12,48 5,56 5,34 5,56 5,33 19,90 9,13 8,98 8,75
1017 12,20 9,10 9,06 11,23 11,20 4,69 4,62 4,67 4,60 18,36 8,09 8,07 7,99
3500 1015 13,82 11,77 10,84 13,69 12,97 7,63 5,47 7,73 5,46 20,11 9,31 11,44 8,85
1016 13,57 11,25 10,74 13,28 12,89 6,47 5,45 6,51 5,46 20,08 9,29 9,98 8,84
1017 13,19 10,44 10,25 12,60 12,45 5,68 5,31 5,68 5,30 19,80 9,08 9,10 8,70
4000 1015 13,93 11,99 10,85 13,86 12,98 8,43 5,47 8,57 5.46 20,11 9,31 13,08 8,85
1016 13,84 11,79 10,83 13,71 12,97 7,73 5,47 7,84 5,46 20,10 9,31 11,75 8,85
1017 13,56 11,22 10,68 13,25 12,83 6,54 5,43 6,59 5,42 20,03 9,26 10,14 8,82
Из данных табл. 6 и 7 следует, что при некоторой температуре выполняется равенство О' = ОиЕ. Это означает, во-первых, что при этой температуре энергии, выделяющейся в результате ассоциации, достаточно для обеспечения диссоциации. Во-вторых, что это значение температуры и является искомым значением Ттах.
Завершив оценку значений Ттах, необходимо отметить, что эта оценка будет справедлива в том случае, если при указанной температуре степень диссоциации легко диссоциируемых связей в исходных молекулах ОС будет на уровне 90% и более, а степень диссоциации химических связей в первичных 1111 не будет превосходить 10-20%. Согласно данным, представленным в табл. 3 и 5, сформулированное условие хорошо выполняется, что свидетельствует о корректности проведенных выше оценок значений Ттах.
В табл. 8 представлены значения температур Ттах. В этой же таблице приведены значения энергии Од'Е, соответствующей значению температуры Ттах, и результаты расчета эффективности §Н преобразования энергии, затраченной на переработку ОС, в энергию сжигания водорода по формуле
вн .
8H =-,
H G'+ GT
GT = -k(Tp -T0)(nMN + YN),
(18)
(19)
где От - энергия, расходуемая на нагрев газа при переработке одного килограмма ОС, к - постоянная Больцмана, Т0 = 300 К - начальная температура, пм -количество атомов в молекуле ОС, N - количество молекул в одном килограмме ОС, У - отношение концентрации атомов буферного газа к концентрации молекул ОС.
М\ < <
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
93
Таблица 8
Результаты расчетов температуры Tmax, затрат энергий 0'яЪ и GT и эффективности производства
водорода §H для Y = 10; 5
Table 8
The results of the calculations of the temperature Tmax, the consumption of energy G^ and GT and the efficiency the production of hydrogen for Y = 10; 5
ОС n, см-3 Tmax, К G;e , кВт'4 GT (Y = 10), кВт-ч GT (Y = 5), кВт-ч SH (Y=10) SH (Y = 5)
Vx 1015 2417 1,04 1,41 1,27 1,46 1,55
1016 2826 0,96 1,68 1,51 1,36 1,45
1017 3256 1,07 1,96 1,18 1,77 1,26
ЗА 1015 2450,2 2,19 1,49 1,22 0,76 0,82
1016 2761,5 2,26 1,70 1,40 0,70 0,76
1017 3167,5 2,35 1,98 1,63 0,64 0,70
ЗА1 1015 2367 1,33 1,43 1,17 1,00 1,11
1016 2665 1,45 1,63 1,34 0,90 1
1017 3055 1,6 1,90 1,56 0,79 0,88
ЗО 1015 2398 1,95 1,47 1,27 1,04 1,11
1016 2701,5 2,08 1,69 1,46 0,95 1,01
1017 3098,5 2,26 1,96 1,70 0,85 0,90
ЗО1 1015 2346,7 1,27 1,44 1,24 1,32 1,42
1016 2642 1,44 1,64 1,42 1,16 1,25
1017 3029,5 1,66 1,92 1,66 1 1,08
Д 1015 2671,5 3,02 0,81 0,69 0,10 0,11
1016 3038,5 2,95 0,94 0,79 0,10 0,11
1017 3516,5 2,87 1,10 0,93 0,1 0,10
Д1 1015 2293,5 0,75 0,68 0,58 0,28 0,30
1016 2582 0,85 0,78 0,66 0,24 0,26
1017 2957 0,97 0,91 0,77 0,21 0,23
ф 1015 2705 3,13 0,84 0,71 0,10 0,10
1016 3075,5 3,05 0,97 0,81 0,1 0,10
1017 3557,5 2,95 1,14 0,96 0,1 0,10
Ф1 1015 2299,5 0,75 0,70 0,59 0,28 0,30
1016 2588 0,85 0,80 0,67 0,24 0,26
1017 2962,5 0,97 0,93 0,78 0,21 0,23
ПЭ 1015 2315 0,53 6,47 3,98 0,79 1,23
1016 2607 0,71 7,41 4,56 0,68 1,06
1017 2990 0,95 8,64 5,32 0,58 0,89
ПВХ 1015 2360 0,72 1,83 1,26 0,78 1,00
1016 2661,5 0,85 2,10 1,44 0,67 0,87
1017 3056 1,02 2,45 1,68 0,57 0,73
ПЭТ 1015 3125 3,66 1,63 1,38 0,38 0,39
1016 3487,5 3,59 1,84 1,55 0,37 0,39
1017 3962 3,49 2,12 1,78 0,35 0,38
ПЭТ1 1015 2296,5 0,56 1,15 0,97 1,16 1,30
1016 2591 0,73 1,32 1,12 0,97 1,08
1017 2977,5 0,94 1,55 1,30 0,80 0,88
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (71) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Данные табл. 8 свидетельствуют о том, что использование пиролиза существенно снижает затраты энергии на полную диссоциацию одного килограмма ОС по сравнению со случаем, рассмотренным в работах [2-6], когда пиролиз отсутствует. Видно, что в случае сохранения трудно диссоциируемых химических связей эффективность §Н для таких веществ, как Ух, иприт, зарин, зоман, ПЭ, ПВХ и ПЭТ, больше единицы, т.е. предлагаемый способ переработки ОС можно эффективно использовать для производства водорода.
Существенное увеличение параметра §Н, по-видимому, может быть достигнуто в том случае, если после достижения реагирующей газовой смесью температуры Ттах не предпринимать никаких мер по диссоциации оставшихся недиссоциированными молекул ОС и их фрагментов, поскольку эти молекулы и фрагменты, пройдя по РК (см. рис. 1) вместе с потоком газа, опять попадут в зону пиролиза. К сожалению, без проведения численного эксперимента определить, какое при этом произойдет увеличение параметра §Н , по-видимому, не представляется возможным.
Заключение
Итак, использование пиролиза перерабатываемых ОС за счет энергии, выделяющейся в результате образования продуктов ассоциации, позволяет существенно повысить эффективность преобразования энергии, затраченной на переработку ОС, в энергию сжигания водорода, полученного в результате этой переработки.
Необходимо проведение дальнейших исследований и, в первую очередь, численных экспериментов с целью поиска путей увеличения параметра 8Н при получении предложенным в данной работе способом химически чистого водорода из ПО и токсичных ОС.
В заключение целесообразно отметить два обстоятельства. Во-первых, на основе предлагаемого способа может быть создана универсальная, эффективно функционирующая, экологически и технически безопасная мобильная установка, уничтожающая токсичные ОС в местах их захоронения. Соответствующие оценки показывают, что на основе предложенного в данной работе способа может быть создана мобильная установка, способная за один час обеспечить переработку 35 кг ПЭ, 100 кг ПВХ, 150 кг ПЭТ, 170 кг диоксина (фурана), 90 кг зарина или
зомана. Применение таких мобильных установок может существенно упростить переработку старого ХО за счет исключения его транспортировки в места переработки, требующей обеспечения соответствующих мер безопасности. Во-вторых, предложенный в данной работе способ получения водорода из токсичных ОС и ПО может быть применен для производства водорода из ископаемых углеводородов.
Список литературы
1. Гарелина С.А., Климовский И.И. Угроза глобальной химической интоксикации окружающей среды в России. Условия ее ликвидации // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 4. С. 136-140.
2. Гарелина С.А., Васильева Н.Н., Климовский И.И. Способ уничтожения токсичных галогеносо-держащих органических соединений. Патент на изобретение № 2209104 (RU 2209104 C1), приоритет от 12.07.2002 г.
3. Васильева Н.Н., Гарелина С.А., Климовский И.И. Реактор для переработки пластмассовых отходов и токсичных галогеносодержащих органических соединений (Варианты). Патент на полезную модель № 33538 (RU 33538 U1), приоритет от 27.06.2003 г.
4. Васильева Н.Н., Гарелина С.А., Климовский И.И. Реактор для переработки токсичных органических соединений. Патент на полезную модель № 53180 (RU 53180 U1), приоритет от 1.11.2005 г.
5. Васильева Н.Н., Гарелина С.А., Климовский И.И. Универсальный плазменно-химический способ переработки ТОС в водород и другие нетоксичные вещества // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 11 (55). С. 85-97.
6. Васильева Н.Н., Гарелина С.А., Климовский И.И. Газофазный реактор по переработке галоген-содержащих токсичных органических соединений в водород и другие нетоксичные вещества // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 11 (55). С. 98-107.
7. Асланян Г.С. Проблематичность становления водородной энергетики // Теплоэнергетика. 2006. № 4. С. 66-73.
8. Гарелина С.А., Климовский И.И. Аналитическое представление констант равновесия, скоростей термической диссоциации и трехчастичной ассоциации для двухатомных молекул и радикалов в диапазоне температур от 500 до 5000 К // Альтернативная энергетика и экология. 2007. № 5 (49). С. 73-85.
■ J
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 3 (71) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
95
