О повышении надежности и эффективности производства водорода для энергетики на базе метано-водородной технологии и технологии волоконно-оптических систем

Агафонов Р. А., Мурашкина Т. И.

О ПОВЫШЕНИИ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ВОДОРОДА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ НА БАЗЕ МЕТАНО-ВОДОРОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ И ТЕХНОЛОГИИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В настоящее время во всех развитых странах мира проводятся работы по изысканию экономичных способов крупномасштабного производства водорода и создания водородной технологии. Из существующих технологий более перспективной, промышленно освоенной является метано-водородная технология.

Переход на потребление водорода объединяет энергетику и химическую технологию, металлургию, энергосбережение автомобильного и авиационного транспорта и производство синтетических углеводородов, химическую промышленность, нефтехимию, нефтепереработку в единую технологическую систему. При этом следует отметить, что ресурсы водорода неограниченны и возобновляемы. При применении водородной технологии полностью снимаются экологические и сырьевые проблемы. Курс химической технологии рассматривает следующие основные вопросы:

- содержание химико-технологических процессов: классификацию химических реакций, критерии эффективности, термодинамические расчеты с использованием законов химической кинетики;

- гетерогенные процессы в системе газ - твердое тело: характеристики твердых катализаторов, основные стадии и кинетические особенности процессов;

- химические реакторы: классификация реакторов и режимы их работы, структура математической

модели реактора, уравнения теплового баланса и тепловые режимы реакторов;

- общие принципы разработки химико-технических процессов: сырьевая и энергетическая базы, рациональное и комплексное использование сырья, химическая технология и охрана окружающей среды, экологические аспекты при проектировании новых производств, создание безотходных технологических процессов;

- основы разработки химических производств.

В предыдущих работах [1-8] подведены результаты прикладных исследований по выбору наиболее перспективного и менее затратного направления развития метано-водородной энергетики, выбору наиболее дешевого промышленно освоенного и во многом возобновляемого способа паровой каталитической конверсии (ПКК) природного газа в водород для энергетики [1-2], выполнен анализ проблем развития водородной энергетики [3] , обоснована энергоэффективность способа ПКК природного газа в водород для энергетики [4-5], предложены способы повышения эффективности ПКК природного газа [6-7] и способ создания водородного энергохимического комплекса с технологией водородного пароперегрева, с практически полной утилизацией тепловой энергии (до 100%), электрическим КПД до 75%, утилизацией вредных выбросов и их переработкой в полезные химические продукты с высокими показателями по экологии (экологически чистой) [6-7] .

Производство водорода способом ПКК природного газа представляет собой многостадийный процесс с использованием почти на каждой стадии различных катализаторов. Успешная реализация процесса производства водорода требуемой степени чистоты при удовлетворительных технико-экономических показателях зависит не только от выбора схемы и условий ведения процесса, подбора катализаторов, оборудования, но и определяется выбранными техническими средствами управления и контроля параметров процесса (температуры, давления, расхода, концентрации, скорости), а также соблюдением условий правильной эксплуатации оборудования и катализаторов [9].

Для обеспечения длительной непрерывной эксплуатации установок существенное значение имеют загрузка и восстановление катализаторов, вывод установки на режим, меры по устранению отклонений от рабочего режима, обеспечение безопасных условий ведения рабочего процесса на каждой стадии, выбор эффективных средств измерения параметров сложных многостадийных технологических процессов ПКК природного газа в водород в условиях наличия в установках ПКК взрывоопасных и токсичных веществ. В работе [10-11] отмечается о проведении интенсивных работ в области создания внутриобъектовых волоконно-оптических систем сбора данных, обеспечивающих более эффективное использование информации о состоянии объекта в сравнении с традиционными системами сбора и преобразования информации в условиях воздействия сильных электромагнитных помех, повышенной искро- и взрывоопасности, высокой температуры, давлений в установках ПКК природного газа. Повышенным требованиям к средствам измерения, контроля и управления в многостадийных технологических процессах ПКК природного газа в водород для энергетики в наибольшей степени соответствуют новые перспективные волоконнооптические системы измерения, контроля и управления на базе волоконно-оптических датчиков (ВОД).

Преимущества ВОД перед традиционными электрическими датчиками в общем случае следующие [10]:

- могут использоваться во взрывоопасной среде в виду абсолютной искро- и взрывоопасности;

- имеют высокую механическую прочитать, малые габариты, простую конструкцию и, соответственно, высокую надежность;

- химически инертны;

- изготавливаются из диэлектрических материалов, что обеспечивает отсутствие путей прохождения через них электрического тока;

- позволяет производить бесконтактные и дистанционные измерения;

- потребляют малое количество энергии;

- сигналы, идущие от датчиков по световым каналам, позволяют производить простое мультиплексирование;

- некоторые ВОД могут использоваться в ситуациях, например, в такой взрывоопасной и агрессивной среде, как многостадийное производство водорода способом ПКК природного газа, в которых электронные устройства либо вообще не могут использоваться, либо такое использование сопровождается значительными проблемами и затратами, например, измерение температур, давлений, расходов, скоро -сти потоков и т. д.

В целом ВОД обладают высокой стойкостью к повышенным температурам, вибрациям, ударам, давлению, химическим воздействиям и другим воздействиям окружающей среды, характерных для многостадийного производства водорода способом ПКК природного газа.

Несмотря на неоспоримые преимущества ВОД, в настоящее время имеет место недооценка роли ВОД в решении инновационных разработках, работы по созданию отечественных ВОД находятся на уровне лабораторных исследований и делаются попытки их внедрения на заводе. Отставание отечественных разработок ВОД от зарубежных объясняется отсутствием комплексного подхода к решению этой проблемы и связанной с этим недостаточным финансированием направления контрольно-измерительной техники.

В то же время потребность в ВОД с высокими технико-экономическими показателями, высокой надежности в различных отраслях промышленности, транспорта и энергетики весьма высока. Наибольшую потребность в ВОД испытывают не только ракетно-космическая, авиационная, военная техника, но и быстро развивающаяся водородная энергетика, химическая промышленность, нефтеперерабатывающая промышленность с глубокой переработкой, нефтехимия, металлургия на базе перспективных инновационных

технологий, которые в ближайшем будущем будут превращаться в современные энергохимические комплексы высокой степени переработки и использования сырья.

Таким образом, для сохранения и дальнейшего развития цивилизаций необходимо создание экологически чистой, эффективной водородной энергетики с высокими показателями по пожаро-, искро-, взрывобезопасности, электромагнитным помехам, стойкости к химическим, климатическим и механическим воздействиям, которым в полной мере удовлетворяют ВОД.

ЛИТЕРАТУРА

1. Агафонов А. И., Агафонов Р. А., Мурашкина Т. И. Анализ основных направлений развития водородной энергетики и способов производства водорода. - Ставрополь: I Международная научнопрактическая конференция, секция «Энергетика и электротехника», 16.11.2010 г. - с. 156-159.

2. Агафонов А.И., Агафонов Р. А,, Зябликов В.С., Пивкин А..Г., Чернецов В. И. О перспективе

развития водородной энергетики России на переходной период:2 008-2 03 0 г.г. - М.:111 Международная энергетическая неделя («МЭН-2008»), 26-27 октября доклад на 22с. (слайдах).

3. Агафонов А. И., Агафонов Р. А, Мурашкина Т. И. О проблемах создания и внедрения экологически чистых энергоэффективных водородных систем электротеплоснабжения и водородных энергохимических комплексов. - Ставрополь: I Международная научно-практическая конференция, секция «Энергетика и электротехника», 16.11.2010 г. - с. 159-163.

4. Физико-химические свойства окислов. Самсонов Г.В., Борисова А. Л. и др. Справочник. - М.: Металлургия, 1978

5. Агафонов А.И., Агафонов Р.А, Мурашкина Т. И. Обоснование энергоэффективных и термохимических, каталитических и энергетических процессов паровой каталитической конверсии природного газа в водород.. - Ставрополь: I Международная научно-практическая конференция, секция «Энергетика и электротехника», 16.11.2010 г. - с. 163-167.

6. Агафонов А.И., Агафонов Р.А, Мурашкина Т. И.Анализ технических способов повышения энергоэффективности экологически чистой водородной энергетики на базе ПКК природного газа в водород. -

Ставрополь: I Международная научно-практическая конференция, секция «Энергетика и электротехника», 16.11.2010 г. - с. 167-171.

7. Агафонов А.И., Агафонов Р.А, Мурашкина Т. И.О результатах прикладных исследований и перспективах развития водородной энергетики. - Ставрополь: I Международная научно-практическая кон-

ференция, секция «Энергетика и электротехника», 16.11.2010 г. - с. 171-175.

8. Малышенко С.П., Назарова О.В., Сарумов Ю. А, Некоторые термодинамические и техникоэкономические аспекты применения водорода как энергоносителя в электроэнергетике. В сб.статей «Атомно-водородная энергетика». М.: Энергоатомиздат, 1988. -с.16-36.

9. Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. Учеб. для техн.вузов. - М.: Высшая школа. 1985.-448с.

10. Пивкин А.Г. Мурашкина Т.И. Волоконно-оптические датчики давления аттенюатерного типа для космической техники.- Пенза, ИИЦ,2005.-152с.

11. Методы и средства измерения в системах контроля и управления: Труды международной научнотехнической конференции (Россия, Пенза, 9-10 октября 2002г.).-Пенза:ИИЦ ПГУ,2002.-212с.