Применение водорода в производстве удобрений

Обновлено: 05.10.2024

Развитие технологических процессов, появление новых технологий, открытие новых перспективных направлений увеличивают спрос на газообразный водород, используемого в качестве энергоносителя увеличивается. Последнее время водород находит свое применение не только в привычных технологиях но и в авиастроении и автомобилестроении (водородные двигатели).

Содержание:

Что такое водород
1.1. Химические и физические свойства
1.2. Краткое описание способов получения водорода
Применение водорода в промышленности
2.1. Перспективы развития потребления газообразного водорода

1. Что такое водород

Водород — газ, легче воздуха, в природе практически не встречается в чистом, благодаря своим свойствам широко применяется в различных областях промышленности.
Химические и физические свойства газа позволяют использовать его как химического реагента, как охлаждающего агента, как экологически чистое топливо.

1.1. Химические и физические свойства

Скорость движения молекул водорода быстрее скорости движения молекул любого другого газа, благодаря высокой скорости увеличивается скорость передачи тепла. Теплопроводность газообразного водорода в 7 (семь) раз выше тепловодности воздуха, является самой высокой среди газообразных веществ.

Температура кипения водорода составляет -252,76 оС, при этом удельная теплота сгорания 120,9⋅10^6 Дж/кг.

Высокая растворимость газа в металлах (способность диффундировать через них) накладывает определенные ограничения на транспортировку газообразного вещества по стальным трубопроводам. При определенных параметрах происходит разрушение углеродистого сплава (декарбонизация) в следствии взаимодействия с углеродом.

Молекулярный водород (при обычных условиях) относительно малоактивен, при повышении температуры вступает в реакцию со многими элементами.

1.2. Краткое описание способов получения водорода

Практически весь водород на Земле находится в виде соединений. Промышленные объемы потребления возрастают из года в год, в связи с изменениями технологий, расширением новых сфер использования.

Для получения газообразного водорода, в больших объемах, используют несколько методов:

паровая конверсия природного газа
газификация угля
электролиз водных растворов солей, гидроксилов
электролиз химически чистой воды

Последнее время актуальна технология получения газообразного водорода методом КЦА (короткоцикловая адсорбция) и СКЦА, обеспечивающие локальное снабжение потребителя газом требуемой чистоты.

Современную промышленность невозможно представить без использования в разных ее отраслях и на разных этапах производства технических газов. И водород один из самых востребованных промышленностью газов, он занимает третье место после кислорода и азота.

Водород является одним из важнейших видов сырья нефтехимической и химической промышленности. Без этого газа не обходятся и другие отрасли: металлургическая, пищевая, стекольная, электронная, электротехническая.

Химическая промышленность

Основной областью применения водорода является производство химических продуктов — аммиака, метанола, хлористого водорода и его раствора — соляной кислоты. В дальнейшем аммиак используется для получения азотных удобрений, взрывчатых веществ, синтетических волокон, пластмассы, лекарств.

Нефтеперерабатывающая промышленность

На НПЗ водород используется при получении топлива из высокосернистого тяжелого сырья, в установках гидрообессеривания, для гидрокрекинга дистиллятов, гидроочистки, при производстве смазочных материалов, так же водород необходим в других процессах нефтепереработки.

Металлургия

В металлургии основная доля используемого водорода приходится на получение металлизированного сырья прямым восстановлением железа. С помощью водорода восстанавливают металлы из их оксидов, например, так получают вольфрам.

Большие объемы технического водорода применяются в прокатном производстве для термической обработки холоднокатаного проката. Используется водород металлургическими предприятиями для получения азотно-водородной защитной атмосферы при термической обработке трубного проката.

При горении водорода в кислороде температура поднимается примерно до 3000 °C, что позволяет сваривать тугоплавкие металлы.

Стекольная промышленность

В этой отрасли водород используется при производстве листового стекла флоат-методом и при получении кварцевого стекла, изготавливаемого плавлением кварца, горного хрусталя или синтетического диоксида кремния в кислородно-водородном пламени.

Энергетика

Благодаря таким свойствам, как высокие теплопроводность и коэффициент диффузии, водород используется для охлаждения мощных турбогенераторов на ТЭЦ и АЭС.

Пищевая промышленность

На предприятиях пищевой промышленности — масложировых комбинатах — водород применяется при производстве маргарина методом гидрогенизации жидких растительных жиров.

К другим потребителям водорода относятся горно-обогатительные комбинаты, электротехническая и электронная промышленность, заводы по изготовлению ядерного топлива, транспортные, газовые, фармацевтические предприятия.Сжиженный водород используется как ракетное горючее.

Технологические решения для широкого использования самого эффективного топлива уже существуют

Водород — это самое энергоемкое и легкое вещество из всех видов топлива. Его производство не относится к инновациям — он производился миллионами тонн еще в советские времена, когда его использовали для производства аммиака для получения азотных удобрений.

Экспериментальная установка Wendelstein 7-X для исследования управляемого термоядерного синтеза. Грайфсвальд (Германия)

Фото: Getty Images

Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов. Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.

С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.

Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами. Их стоимость составляет около $50–60 тыс. Серийные автомобили на водороде есть у Toyota, Hyundai, Honda. Предсерийные образцы тестируют Audi, Mercedes, BMW, Mazda, Ford и ряд других производителей. Все технические препятствия, столько десятилетий казавшиеся непреодолимыми, пройдены за считаные годы, и теперь вопрос только в экономической целесообразности для массового потребителя. В России такой автомобиль приобрел себе житель Красноярска, но в связи с отсутствием заправок в своем городе перевез машину в Москву и получает топливо в одном из научных институтов.

Как получить водород?

Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.

А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться. То есть до заправки везут метан, а уже на самой заправке устанавливается небольшое производство, например, конвертер метана в водород. Но этот способ не очень хорош для экологии, поскольку на небольших производствах сложно обеспечить качественную очистку выбросов. Зато экономически он себя вполне оправдывает. Опыт Японии, Кореи и ряда других стран показал, что километр пробега на водороде выходит не дороже бензина. 4 кг водорода, закачанного в баллон, хватает примерно на 800 км пути обычного седана.

Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение. Жидкий водород можно хранить только при низких температурах, поэтому его использовали только в критически важных областях, например, как ракетное топливо.

Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.

Голубая мечта о зеленом водороде

Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД. Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.

1. Водород применяется для неорганического и органического синтеза. Значительное количество водорода расходуется на синтез аммиака, идущего в свою очередь на производство азотной кислоты и азотных удобрений:

Водород идет на получение хлороводорода и соляной кислоты. Синтез-газ применяется в производстве метанола:

2. Водород применяется в пищевой промышленности для производства маргарина (гидрогенизация растительных жиров).

3. Водород применяется для производства металлов (Mo, W, Fe) путем их восстановления из оксидов.

4. Жидкий водород используют в качестве ракетного топлива. Водородное топливо является экологически безопасным и более энергоемким, чем бензин. В настоящее время в мире работает на водороде несколько сот автомобилей.

Прим. У водородной энергетики существуют проблемы, связанные с хранением и транспортировкой водорода. Сейчас водород хранят в подземных танкерах, где он находится в жидком состоянии под давлением 100 атм. Перевозка больших количеств жидкого водорода опасна. Поэтому в настоящее время изучаются сплавы на основе переходных металлов, которые способны аккумулировать значительные количества водорода.

Современную промышленность сложно представить без применения технических газов на различных этапах производства. На сегодняшний день водород входит в тройку наиболее востребованных промышленностью газов, уступая лишь кислороду и азоту.

Структура производства промышленных газов в России, %

Водород относится к числу важнейших видов сырья химической и нефтехимической промышленности. Свойства этого газа обуславливают его применение и в других отраслях промышленности: металлургической, пищевой, стекольной, электронной, электротехнической.

Структура потребления водорода в России в 2013 г.

Аммиак	54,88%
Нефтеперерабатывающие заводы	22,35%
Метанол	13,30%
Восстановление железа	7,11%
Капролактам	0,74%
Бутиловые спирты	0,72%
Прокат	0,34%
HCl	0,25%
Анилин	0,09%
Энергетика	0,06%
Гидрогенизация жиров	0,02%
Электроника	0,02%
Стекло и керамика	0,02%
Прочее	0,02%

Химическая промышленность

В России основная область потребления водорода – производство химических продуктов, прежде всего аммиака и метанола.

Лидерами по потреблению водорода являются предприятия, производящие аммиак NH ₃ . Сейчас на 28 предприятиях в России используется 2,46 млн.т. водорода в год.

Потребление водорода при синтезе метанола CH ₃ OH составило 0,6 млн.т. в 2013 г.

Потребление водорода в остальных сегментах химической промышленности не превышает 90 тыс.т. – 3% от объема потребления.

Нефтеперерабатывающая промышленность

Повышается потребность НПЗ в водороде, необходимом для получения топлив из тяжелого высокосернистого сырья. Огромное количество водорода требуется для установок гидрообессеривания, гидрокрекинга дистиллятов, гидроочистки, изомеризации, производств смазочных материалов. Кроме того, водород на НПЗ используется для активации катализаторов риформинга и регенерации катализаторов изомеризации.

Металлургия

Основной областью применения водорода в металлургии является производство металлизированного сырья методом прямого восстановления железа. Сейчас в этом процессе потребляется около 320 тыс.т. водорода.

Значительные объемы водорода расходуются в технологических процессах прокатного производства (при термической обработке холоднокатаного проката). Потребление водорода – около 15 тыс.т. в год.

Водород на металлургических предприятиях используется также для создания защитной азотно-водородной атмосферы при термообработке труб.

Стекольная промышленность

В стекольной промышленности водород применяется при производстве листового стекла float-методом, а также для получения кварцевого стекла, которое изготавливают плавлением чистого горного хрусталя, кварца или синтетического оксида кремния в водородно-кислородном пламени.

Энергетика

В энергетике водород используется для охлаждения мощных турбогенераторов, благодаря его высокой теплопроводности и коэффициенту диффузии, а также нетоксичности. По оценкам, в энергетике на ТЭЦ, АЭС потребляется около 4-5 тыс.т. водорода в год.

Пищевая промышленность

В пищевой промышленности водород используется в процессах гидрогенизации масел и жиров при получении твердых жиров (маргарина). Объем потребления водорода масложировыми комбинатами оценивается на уровне 1,5 тыс.т. в год.

Среди прочих потребителей водорода – обогатительные комбинаты, заводы, занимающиеся фабрикацией ядерного топлива, предприятия электронной и электротехнической промышленности, транспортные и газовые компании, фармацевтика.

Читайте также: