IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Можно ли сэкономить на отоплении? Вопрос волнует многих, особенно с учетом постоянного роста тарифов на энергоносители. Более 30 лет назад была предложена альтернатива – извлекать энергию из окружающей среды. Для отопления широкого круга потребителей во многих регионах РФ используют природный газ. Природный газ используется в различных отраслях, но чаще всего его использование направленно на выработку теплоты на нужды отопления жилых и общественных зданий. Природный газ используется в газовых котельных. Запасы газа во всём мире ограниченное количество, это не возобновляемый ресурс. Когда-нибудь его запасы подойдут к концу и придется искать альтернативную замену природному газу. Такой заменой может стать водород. Водород содержится практически в каждом веществе, но больше всего его в воде. 71% территории земли занимает именно вода. Месторождений, где водород находится в чистом виде, а не в составе других молекул, очень мало в природе.

Газовая котельная [1] представляет собой оборудованиt, предназначенного для выработки теплоты на нужды обогрева и горячего водоснабжения жилых, административных промышленных зданий, производственных цехов и прочих объектов недвижимости.

Рисунок 1 принципиальная схема котельной установки

На рисунке 1 изображено: 1-сетевой насос; 2-подпиточный насос; 3-бак подпиточной воды; 4-насос исходной воды; 5-насос подачи воды к эжектору; 6-расходный бак эжекторной установки; 7-водоструйный эжектор; 8-охладитель выпара; 9-ваакумный деаэратор; 10-подогреватель химически очищенной воды; 11-фильтр химводоочистки; 12-подогреватель исходной воды; 13-водогрейный котел; 14-рециркуляционный насос; 15-линия перепуска.

Приведём обширность способов получения водорода[3]:

1. паровая конверсия метана и природного газа;

2. газификация угля;

3. электролиз воды;

4. пиролиз;

5. частичное окисление;

6. биотехнологии.

Авторами статьи рассматривается производство методом электролиза воды. Электролиз [4] - это процесс, в котором постоянный электрический ток, пропускаемый через ионизированный раствор или расплав вещества (электролит), используется для инициирования химической реакции на электродах (положительно заряженном аноде+ и отрицательном катоде-), приводящей к диссоциации вещества на положительные ионы-катионы на стороне катода и отрицательные ионы-анионы на стороне анода. При электролизе воды, при прохождении через нее постоянного электрического тока, на стороне анода происходит диссоциация воды с образованием молекул кислорода O2 и выделением положительно заряженных ионов водорода H+ и имеющих отрицательный заряд электронов e-. На катоде-, ионы водорода H+ принимают электроны, образуя газообразный водород H2:

Анод: 2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-

Катод: 4H⁺ + 4e^- → 2H₂

В целом, реакцию диссоциации при электролизе воды можно записать следующим образом:

2H₂O → 2H₂ + O₂

Водород, получаемый таким образом, является одним из самых чистых. Рассмотрим сравнение водорода с природным газом. Так как природный газ наиболее распространённое топливо в котельных установках на сегодняшний день, то и будем рассматривать котельный на газовом топливе как реконструируемые котлы под использование водорода. Для сравнения заменимости природного газа водородом, сравним ниже их физико-химические характеристики[5]:

Таблица1. Удельное теплосодержание кДж/м³

t,0C	100	200	300	400	500	600	700	800	900
H2	129	259	389	519	653	783	917	1055	1189
CH2	164	352	565	804	1068	1357	1663	1994	2338

продолжение Таблица1. Удельное теплосодержание кДж/м³

t,0C	1000	1100	1200	1300	1400	1500	1600
H2	1332	1466	1613	1755	1906	2053	2195
CH2	2702	2067	3435	3758	4143	4561	-

Таблица2. Средняя объемная теплоемкость при постоянном давлении кДж/(м³*град)

t,оC	0	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
H2	1,227	1,292	1,297	1,300	1,302	1,305	1,308	1,312	1,317	1,323	1,329
CH2	1,544	1,653	1,756	1,890	2,019	2,144	2,264	2,381	2,490	2,591	2,690

Таблица3. Критические параметры

	Крит. давление	Крит. темпер.	Плотность при крит. P и t кг/м3
Н2	1,29	-239,9	31
СН2	4,64	-82,5	162

Таблица4. Характеристика компонентов газообразного топлива

	Молек. масса, ед. изм	Плотность при 0 оС и 101 кПа, ед. изм	Относительная плотность по воздуху, кг/м3	Объем воздуха, необход. для горения нм3 газа, м3
H2	2,02	0,09	0,07	2,38
CH2	16,04	0,72	0,55	9,52

Продолжение Таблица4. Характеристика компонентов газообразного топлива

	Объем продуктов горения м3/1м3	Теплота сгорания 1 м3 газа кДж/м3		Отношение объемов сухих и влажных продуктов сгорания	Жаропро-изводительность, 0К	Максимальное содержание СО % при сжигании
		Высшая	Низшая
H2	2,88	12750	10780	0,65	2508	-----------
CH2	10,52	39760	35830	0,81	2316	11,8

Таблица5. Теплота сгорания

	Высшая Qв		Низшая Qн
	Ккал/м3	кДж/м3	Ккал/м3	кДЖ/м3
Н2	3045	12750	2575	10780
СН2	8558	39830	9500	35820

Таблица6. Соотношение объемов воздуха и продуктов сгорания газовых топлив

	Vо c.r.	Vо возд.	Vо Σ	Vо возд./Vо Σ	Vо c.r. /Vо возд.
Н2	1,88	2,38	2,88	0,83	0,79
СН2	8,52	9,52	10,52	0,90	0,9

Таблица7. Предел воспламеняемости

	% газа в смеси с воздухом		% газа в смеси с кислородом
	Низший	Высший	Низший	Высший
H2	4,1	74,2	4,0	94
CH2	5,3	14,0	5,1	61

Таблица8. Температура воспламенения ^оC

	от	до
Н2	510	590
СН2	545	850

Таблица9. Нормальная скорость распространения пламени в смесях горючих газов с воздухом

	Стехиометрическая смесь					Смесь, в которой Uн имеет максимальное значение
	Содержание, %			Uн см/с		Содержание, %			Uн см/с
	газа	воздуха	газа			воздуха
Н2	29,5	70,5	160-180		42-43		57-58	265-267
СН2	9,5	90,5	28-37		9,5-10,5		89,5-90,5	37-38

Выводы по табличным данным.

1. Удельное теплосодержание водородного топлива, в среднем значении ниже чем природный газа в 2 раза

2. Очень низкая температура сжижения и критическое давление, что говорит о более эффективном сжижении при помощи повышения давления, чем при снижении температуры

3. малая плотность в естественном состоянии.

4. в 4 раза меньший объём воздуха необходимый на сжигание 1м3 водородного топлива.

5. Низшая теплота сгорания водородного топлива ниже природного газа в 3,5 раза

6. более высокая жаропроизводительность водородного топлива

7. отсутствие вредных выбросов СО при сжигании водорода, безвредное сжигание для окружающей среды

8. Повышенная относительная влажность дымовых газов вероятно потребует дополнительного осушения, либо позволит установить более эффективный конденсационный теплообменник.

9. Широкие пределы воспламеняемости позволяют в широких пределах регулировать коэффициент избытка воздуха в топке котла

10. скорость распространения водородного пламени более чем в 5 раз выше чем природного газа, что подтверждает возможность сжигания большего количества топливно-водородной смеси в объёме топки.

Тем самым мы подтверждаем возможность использования водородного топлива в топках котельных. Гораздо выгоднее сжигать водород уже в существующих котельных, а не строить новые, так как реконструкция газовой котельной на другой вид газа существенно дешевле установки нового котла. Теплота сгорания водорода приблизительно в три раза меньше теплоты сгорания природного газа. Но объем воздуха необходимый для горения у водорода почти в три раза меньше чем у метана. Из этого следует, что на выходе мы можем получить схожее количество тепла, получаемое при сжигании газов.

Список литературы:

1. http://rospromgaz.ru/statii/55-ustroystvo-gazovoy-kotelnoy

2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Водород

3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Производство_водорода

4. http://www.ndva.ru/gazi/elektroliz_vodi.html

5. Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании природного газа Б.В. Шанин Е.Е. Новгородский В.А. Широков А.Ф. Пужайло

6. Володин В., П. Хазановский «Энергия, век двадцать первый». А. Голдин «Океаны энергии». Л.С. Юдасин «Энергетика: проблемы и надежды».

7. Малышенко С. П., Институт высоких температур РАН, Журнал «Энергия», №1, 2003.

8. J. O.M Bockris, A Solar – Hydrogen Economy, A. N. Z. Book Co., Brook – vale, New South Wales, 1975, Ch. 8.

Код для цитирования: Скопировать