Получение водородсодержащего газа из аммиака и использование его в качестве топлива для ДВС Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ЭНЕРГЕТИКА

ЭНЕРГЕТИКА

УДК 622.76:621.43 С. В. ЗАХАРОВ

Омский государственный аграрный университет

ПОЛУЧЕНИЕ

ВОДОРОДСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗА ИЗ АММИАКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЕГО В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВС

В статье рассмотрена перспективность использования аммиака как носителя водорода в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Приведены основные достоинства и недостатки аммиака как топлива для двигателей внутреннего сгорания. Представлены результаты теоретических исследований процесса диссоциации аммиака с получением водорода.

Ужесточение экологических требований и нарастание энергетического кризиса вынудят производителей автотракторных двигателей в ближайшее время перейти на использование в качестве источника энергии для их продукции альтернативных топлив, наиболее перспективным из которых является водород или синтез-газ с большой концентрацией водорода.

Очевидным преимуществом водорода является его неисчерпаемые ресурсы в природе и возможность получения из возобновляемых сырьевых источников. Водород обладает чрезвычайно высокой энергоемкостью (почти в три раза больше, чем у традици-

онных нефтяных топлив) и уникальными кинетическими характеристиками. Кроме этой), продукты сгорания водорода практически не содержат вредных компонентов на основе углерода (оксида и диоксида углерода, углеводородов и альдегидов) (1 ].

Большой проблемой является отсутствие экономически оправданных безопасных средств хранения водорода на борту автомобиля для обеспечения его приемлемой энерговооружённости. На сегодняшний день разработаны и испытаны три способа хранения водорода: в виде сжатого газа в баллонах высокого давления, в сжиженном состоянии в криогенных резервуарах и в связанном состоянии в металлогидрид-

Физические свойства аммиака и водорода

Параметр Жидкий Бензин

Аммиак Водород

Плотность при 15‘С, г/см1 0.7 0.07 0.7- 0.8

Температура,'С

кипения, -33,3 -252 35 -195

застывания • 77,7 -259 -80

Теплота сгорания, кДж/кг 19000 120000 44400

Объемная энергоемкость, Дж/см5 1.16 0.83 3,52

ных аккумуляторах. Даже наилучший из них — криогенный - ус тупает в несколько раз но энергоплотности нефтяным топливам, не говоря уже о том, что в техническом отношении он неизмеримо сложнее систем хранения и транспортировки жидких нефтяных топлив. Поэтому применение водорода в автомобиле сразу упирается в проблему энерговооружённости (или, проще говоря, запаса хода) автомобиля. Существующие способы хранения водорода неприемлемы для автотранспорта вследствие либо малой ёмкости, либо технической сложности и недостаточной безопасности в эксплуатации особенно в аварийных ситуациях.

Большой практический интерес представляет использование аммиака в качестве вторичного носителя водорода, конвертированного в некриогенную безопасную форму. Перспективность применения аммиака в качестве моторного топлива обусловлена рядом его положительных свойств. В таблице 1 приведены физические свойства аммиака в сравнении с водородом и бензином. Аммиак обладает более высокой энергоплотностыо по содержанию водорода, чем газообразный, жидкий водород и гидриды металлов, но имеет меньшую теплотворную способность по сравнении с бензином.

Перспективность аммиака как топлива обусловлена его относительно низкой стоимостью и практически неограниченной сыр1>евой базой. При полном сгорании аммиака образуется только один вредный компонент — ИОх, причем его содержание незначительно. При температурах окружающей среды аммиак сжижается уже поддавлением 0,6 —0,7 МПа. Критическое состояние: температура Ткр= 132,4"С, давление Рк(1 = 11,15 МПа, плотность = 0,235 г/ см3. В пожарном отношении аммиак относительно не опасен, гак как он плохо воспламеняется. Концентрационные пределы воспламенения аммиака с воздухом составляют 15... 18% по объему, температура самовоспламенения равна 651 "С.

Длительные испытания надвигателях (2) показали, что при работе на аммиаке повышенный износ наблюдается у деталей, изготовленных из цветных металлов, в особенности меди и ее сплавов. Большинство нефтяных и синтетических масел почти не изменяют свои свойства при контакте с аммиаком. Условия в камерах современных дизелей и двигателей с принудительным воспламенением недостаточны для обеспечения устойчивого рабочего процесса на аммиачном топливе. Проведенные ранее исследования возможности использования аммиака в чистом виде в качестве моторного топлива выявили трудности сжигания его в двигателях внутреннего сгорания (3, 4]. Это обусловлено высокой температурой воспламенений, малой скоростью и температурой сгорания аммиачновоздушной смеси. Ч тобы использовать чистый амми-

Таблица 2

Парциальное давление компонентов аммиака

Число молей Парциальное давление, мПа

4-І ** 2+А'

//,-\х Р тШр 2+Л*

ЛИ/,-2-А’ и ш^Х-г №' 2+Л-

ак в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, необходимо значительное увеличение мощности искрового разряда карбюраторных двигателей, повышение степени сжатия дизелей до 3,5 МПа и применение интенсифицирующих воспламенение добавок. Так, добавка небольшого количества водорода способствует улучшению сгорания аммиака и показателей работы двигателя.

Наиболее перспективным направлением использования аммиака в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорании является диссоциация его на водород и азот. Реакция диссоциации аммиака протекаете поглощением тепла и увеличением объема в два раза по уравнению

Ж Л\ - АЬ.ЪкДж (1)

2 2

Высокое содержание водорода в аммиаке (0,17 кг Н2на 1 кг аммиака), небольшой вес тары для его хранения и простота переработки делают аммиак весьма перспективным для получения водорода и использования его в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Получение водорода из аммиака можно записать по реакции диссоциации аммиака

2Ш,->3 Н2 + Н2 (2)

Реакция диссоциации аммиака (2) протекает с высокой скоростью в присутствии катализаторов и при относительно высоких температурах, обеспечивающих получение необходимой степени диссоциации аммиака.

Обозначим число молей, подвергшихся разложению при достижении равновесия, через X. Поскольку исходный газ содержал 2 моля ЫН3, состав газовой смеси при равновесии и парциальное давление компонентов характеризуются данными, приведенными в таблице 2,

где Р - давление газовой смеси, МПа;

2 + х — общее число молей в равновесной смеси.

Подставив значения парциальных давлений в уравнение, для К,, получим

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК Я» 2 (56) Ю07

■ - Х!2 ГЗЛ72І

% р • р р 2 + Х Р 2 + Х

Рг

ми

27 Р2 16

Р'

Xі

2-Х

2 + Х

(4-*2У

(3)

Значение К,, реакции разложения аммиака находим из уравнения:

АР"

\&Кг=-——^ = ЛНІП +

4.5757*

гс ДС

+ \\CdT-T Д5*я+ \-fdI

(4)

где ДСр- изменение теплоемкости участвующих газов;

ДБ — изменение энтропии газовой смеси;

ЛЯ— изменение свободной энергии газовой смеси; ДН — изменение энтальпии газовой смеси.

Зная, что

С* =6,5 +1*10‘5Т кДж/(град*молъ)

С," = 6.5 + 9 * 10 *Т, кДж /(град' моль)

С," = 8.04 + 7* КГ4 7* кДж/(град‘моль) вычисляем по формуле ДН°дап

А С, = 3 С?! + С*! + 2 С?1' = 9.92 + 23*10“,7*-10** Тг Аналогичным образом находим Д8*отв:

Д= н, + ^ ~ 2Я",,' = 47,38 кДжЦград* моль),

где 5",л -значения энтропии при стандарт-

ных условиях для молекул Н,; Ы.^; ЫН., (31,2; 45,767; 46.01 кДж/(град-моль) соответственно).

Тогда изменение свободной энергии газовой смеси можно записать как

г

А/-'0 * 22080 + |(9,92 + 23 • 1 О*4 Г - 10*5 7*2 )</Г - 7X47,38 +

Г п Т Г

+ І-Ь=-СҐГ+ |23*10|10',7ІЯ') =

71* ІП-4

22080 - 47,387' + (Г- 298) +--■ (Г2 - 2982>-

10**

—(Г* - 298' - 9,927* 1п Г - 1п 298) -

ІЛ-5

-23* 10 4Г(Г-298) + Т(Т: - 2982) =

= 22080-47,387" + (Г-298)*(9.92-23*10 *Т) -

- 9.92Г(1п Г - 1п 298) + (7*2 - 2981) * (11.5 • 10^ + 0,5 * 10‘5 Т) -

(5)

-(Г*-298’)^-

Задаваясь различными значениями температуры подогрева аммиака и решая уравнение (5), находим значение изменения свободной энергии. Полученное значение ДИ подставляем в уравнение (4) и определяем 1д К,, После этого находим значение К,, реакции разложения аммиака по формуле:

Л', = 10- -

АА'°

4,5757"

(6)

Определив значение К,„ подставляем его в уравнение (3) и, принимая различные значения Р.. находим X:

16 А', .V4

(7)

27 Р> (4-Л-:)г

В этом уравнении значение К,, и Р. — величины

16 Кг _

постоянные, поэтому принимаем: = В,

Тогда уравнение (3) примет вид1

в(а - ЛГ2): = X*

18)

Проведя некоторые математические преобразования, получаем

(Д-1)**4-8ДЛ-5 + 16Д = 0

(9)

Принимаем X7—У, тогда уравнение (10) примет вцд:

8В \ЬВ

{В-1) + (5-1) *10)

Находим корни уравнения (11) по формуле

85 - ^ВУТ (В -1)2 - 4• [6В/(В -1) у = И_12------------------------------ (Ц)

Определив значение У, находим X как X = -/У. Состав равновесной смеси (%) определяем последующим уравнениям:

ЛИ/,*—£*100 * 2+Х

(12)

Рис. 1. Диссоциация аммиака п зависимости от температуры и давления: I - 0,01; 2 - 0,10; 3 - 0,20; 4 - 0,30; 5 - 0,40; 6 - 0,50; 7 - 0,60 МПа

«.-“«моо

1 2 + Л”

(14)

Произведены теоретические исследовании влияния температуры и давления аммиака на степень его диссоциации.

Диссоциация аммиака в зависимости от давления и температуры приведена на рис. 1. Начальную температуру катализатора и аммиака принимаем равной 640 К. Давление аммиака на входе в диссоциатор принималось равным 0,01; 0,10; 0,15; 0,20; 0,30; 0,40; 0,60 МПа. По результатам теоретических исследований диссоциации аммиака выявлено влияние температуры катализатора и давления на входе в дис-социатор на степень разложения аммиака.

Из теоретических исследований следует, что при изменении давления в диапазоне от 0,01 МПа до 0,60 МПа; при температуре 1000 К степень разложения ЫН , достаточно полная и по остаточному аммиаку составляет 0,0122 %.т.е. разложение аммиака происходит на 99,9878%.

Снижение давления на входе в диссоциатор с 0,60 Ао0.01 МПа обеспечиваетулучшение разложения аммиака при одной и той же температуре. Так, при давлении 0,01 МПа содержание остаточного аммиака меньше 1 % обеспечивается при температуре катализатора 500 К, тогда как при давлении 0,60 МПа - при температуре 715 К.

Исходя из результатов теоретических исследований, можно сделать следующие выводы:

— при температуре катализатора 1000 К содержание остаточного аммиака в равновесной смеси минимальное и составляет 0,0122 %;

— учитывая влияние давления аммиака на степень диссоциации, диссоциатор целесообразно устанавливать на линии низкого давления после редуктора;

— результаты теоретических исследований диссоциации аммиака подтверждаются данIп.!ми экспериментальных лабораторных исследований, погрешность результатов в степени диссоциации не превышает 5 %.

Библиографический список

1. Кузык. Б. И. На пути к водородной энергетике/ Б. 11. Ку-зык. В. И. Кушлии, Ю. В. Яковец — М.: ИНЭС, 2005.

2. Легасов. В. А. Водородная энергетика / В. Л. Легасов// Природа,— 1977. — К’» 3.

3. Подгорный. А. Н. Применение водорода в качестве топлива для тепловых двигателей /Л. Н. Подгорный, И. Л. Варшавский, Г. Б. Талла //Вопросы атомной науки и техники, сер. Атомно-водородная энергетика, — М.: ИАЭ АН СССР. 1978.

4. Смаль, В. Ф. Перспективные топлива для автомобилей / В. Ф. Смаль, Е. Е. Арсенов — М.: Транспорт, 1970,

ЗАХАРОВ Сергей Васильевич, аспиран т кафедры тракторов, автомобилей и ЭМТП.

Статья поступила в редакцию 05.08.07 г.

© С. В. Захаров

Календарь научных мероприятий

I Международная научно-практическая конференция «РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ И ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ: ЭКОНОМИКА, ЭКОЛОГИЯ, ПРАКТИКА ПРИМЕНЕНИЯ»

27 июля - 1 августа 2008 г.

Россия, Республика Бурятия, г. Улан-Удэ

Предлагаемые направления

Секция 1. Ресурсосбережение: Ресурсосберегающие технологии и рациональное использование природных ресурсов. Модели экономизации экологии. Экономический эффект от энергосберегающих технологий. Введение природоохранных функций в экономику производства. Инновационные разработки в области ресурсосберегающих технологий в различных отраслях промышленности. Проблемы развития малоотходной и безотходной технологий. Обезвреживание, переработка и использование отходов производства и потребления. Использование вторичного сырья.

Секция 2. Возобновляемые источники энергии: Солнечная энергетика. Экологические и экономические аспекты использования альтернативной энергетики. Энергия ветра. Геотермальная энергетика. Энергия биомассы. Энергия водных потоков. Технология комбинированного использования возобновляемых источников энергии. Государственно-частное партнерство в решении инвестиционных проектов в использовании альтернативной энергии.

Секция 3. Экология: Очистка и обеззараживание природных и сточных вод. Очистка воздуха. Экологически чис тые технологии и оборудование. Международные экологические стандарты и сертификаты. Экотуризм и экологические воздействия туризма на окружающую среду. Экологическое образование и воспитание. Международное сотрудничество при охране окружающей среды.

Представление докладов: конечный срок подачи —15 мая 2008 г.

Подробно на сайте www.chitgu.ru

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК Ы» 2 <М> 2007