ВВЕДЕНИЕ 4
1 Патентно-информационный обзор 6
1.1 Анализ существующих технологий производства водорода 6
1.2 Парогазовый разряд 12
1.3 Патентный поиск 14
2 Описание экспериментальной установки 28
2.1 Описание технологии 28
2.2 Описание функциональной схемы 30
2.3 Система электрического питания 32
2.4 Реактор 33
2.5 Конденсатор водяных паров 35
2.6 Охладитель 43
2.7 Система подачи электрода 49
2.8 Система поддержания уровня жидкости 50
2.9 Методика проведения эксперимента 51
3 Результаты экспериментальных исследований 53
3.1 Энергетический баланс установки 53
3.2 Вольтамперная характеристика парогазового разряда 54
3.3 Образование водорода 65
3.4 Образование оксида алюминия 66
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 71
Водород является самым распространенным элементом во Вселенной [1]. Несмотря на его распространенность, практически не встречается в чистом виде. Вопрос получения водорода является основой водородной энергетики. В данной области длительное время в ряде стран мира, и в России в частности, ведутся разработки технологий производства, хранения и использования водорода. Предполагается, что успешное завершение данных разработок позволит создать технологическую основу для перехода на водородную энергетику. По современным представлениям, она будет базироваться на возобновляемых источниках энергии, в отличие от ранних представлений, основанных на ядерной энергии [2].
Целью данной работы является создание технологии производства водорода, которая объединяет области плазмохимии и алюмоводородной энергетики.
По сравнению с привычными энергоносителями водород имеет два явно выраженных преимущества. Во-первых, он является экологически чистым источником энергии, во-вторых его запасы в природе практически неисчерпаемы [3].
Существуют множество способов получения водорода. Основные из них: паровая конверсия метана и природного газа; газификация угля; электролиз воды; пиролиз; биотехнологии; частичное окисление и др. [4]. Все способы имеют свои преимущества и недостатки. В настоящее время в водородной энергетике большими темпами развивается алюмоводородные технологии получения водорода. В данной технологии используют химические реакции между алюминием и водой, в результате которой происходит выделение водорода, оксида алюминия и энергии [5].
Перспективным направлением в области плазмохимии является парогазовый разряд, который представляет собой электрический разряд между электролитическим катодом и металлическим анодом [6]. Указанные
разряды представляют большой практический интерес в ряде технологических процессов: нанесение высокотехнологичных
антикоррозионных и защитных покрытий, очистка и полировка металлических поверхностей, электротермическая обработка материалов [7]. Существуют исследования по одностадийному получению мелкодисперсных порошков практически из любых металлов, синтез органических соединений в растворах электролитов, очистка воды, стерилизация растворов и изделий. Данные технологии позволяют экономить реагенты, сырье, повышать качество, надежность и долговечность изделий [7, 8].
Таким образом, применение технологий плазмохимии в области алюмоводородной энергетики открывают новые горизонты для исследования, поэтому разработка установки для получения водорода в парогазовом разряде является актуальной задачей в настоящее время. Опытные испытания установки позволят оценить качественные и количественные показатели выхода водорода по сравнению с другими технологиями. Данная выпускная квалификационная работа, состоящая из трех глав, посвящена решению этих задач.
В первой главе проведен патентно-информационный обзор экспериментальных исследований парогазовых разрядов между электролитическими и металлическими электродами, а также рассмотрены основные способы получения водорода.
Во второй главе приведено описание экспериментальной установки. Представлена функциональная схема экспериментальной установки для получения водорода в парогазовом разряде между жидкими и металлическими электродами. Произведены расчеты тепломассобменного оборудования экспериментальной установки.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований установки для получения водорода в парогазовом разряде при атмосферном давлении. Построена вольтамперная характеристика парогазового разряда для различных диаметров металлического электрода.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы, была разработана установка для получения водорода в парогазовом разряде между алюминиевым анодом и электролитическим катодом. Были исследованы режимы работы установки при различных наборах электродов.
На основе проведенного анализа литературных источников выявлено современное состояние создания технологии производства водорода, принцип работы которой, основан на слиянии плазмохимии и алюмоводородных технологий.
Разработана экспериментальная установка для получения водорода в парогазовом разряде между металлическим анодом и жидкими катодом, работающая в диапазоне напряжений от 800 В до 1800 В и силе тока от 0,1 А до 0,5 А. Удельный расход электроэнергии на производство 1 куб. м. водорода составил 2,35 кВт*ч. Выявлена линейная зависимость по количеству вырабатываемого водорода и потребляемой мощности установки в указанном диапазоне напряжений и силы тока.
