Водородное топливо. Производство, хранение, использование

Цеолиты— большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском, известных своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другим важным свойством цеолитов является способность к ионному обмену – они способны избирательно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы. Цеолиты бывают природные и синтетические. Наиболее распространённые представители группы цеолитов: натролит, шабазит, гейландит, стильбит (десмин), морденит, томсонит, ломонтит, клиноптилолит.

Кристаллическая структура цеолитов природных и искусственных образована тетраэдрическими группами SiO2/4 и AlO2/4, объединёнными общими вершинами в трёхмерный каркас, пронизанный полостями и каналами (окнами) размером 2–15 ангстремов. Открытая каркасно-полостная структура цеолитов [AlSi]O4−имеет отрицательный заряд, компенсирующийся противоионами (катионами металлов, аммония, алкиламмония и др. ионов, введённых по механизму ионного обмена) и легко дегидратирующимися молекулами воды.

Выделяют следующие свойства цеолитов, благодаря которым их широко применяют:

– адсорбционные— способность поглощать и отдавать различные вещества,

– ионообменные— способность обменивать катионы,

– каталитические— способность ускорять химические реакции.

Каждый вид цеолитов характеризуется определённым размером окон, поэтому молекулы других веществ поглощаются и пропускаются (при фильтрации) цеолитами избирательно. Это явление называют молекулярно-ситовым эффектом.

Синтетические цеолиты, используемые для разделения газов, имеют форму шариков, таблеток или гранул размером 1–5 мм, их получают прессованием порошка цеолита с добавкой связующего материала. В такой грануле наряду с кристаллами цеолита с молекулярным размером пор имеются зазоры между кристаллами, образующие структуру более крупных пор.

Принципиальная технологическая схема блока КЦА представлена на рис. 3.1 и выполняет следующие действия.

Рис. 3.1. Технологическая схема блока КЦА

Поток неочищенного водородсодержащего газа поступает в блок короткоцикловой адсорбции (КЦА), где происходит удаление примесей в процессе циклической адсорбции. Для выполнения заданной степени концентрирования водорода и удаления примесей в процессе используются многочисленные адсорбционные слои. Принятая схема блока позволяет извлечь водород с концентрацией 99,5 % (об.) из конвертированного газа, с концентрацией водорода не менее 87,5 % (об.) в конце рабочего цикла. В блоке КЦА происходит очистка конвертированного водородсодержащего газа от примесей метана, окислов углерода путем адсорбции загрязнений на адсорбенте при высоком давлении и десорбции при низком давлении. Блок КЦА состоит из адсорберов, включенных параллельно по газу. При работе каждый адсорбер проходит одни и те же фазы адсорбции и регенерации (десорбции), только в различные моменты времени. Полный цикл состоит из четырех основных стадий: адсорбция, сброс давления, продувка при низком давлении и набор давления.

На стадии адсорбция питательный газ поступает в нижнюю часть адсорбера под высоким давлением, примеси адсорбируются, например, молекулярными сетками, а водород высокой чистоты выходит из адсорбера сверху. На стадии сброса давления регенерация осуществляется в несколько этапов снижения давления. Сначала обогащенный водородом газ используется для набора давления и продувки тех адсорберов, которые находятся на разных стадиях регенерации. При дальнейшем сбросе давления адсорбированные примеси высвобождаются и подаются в линию сдувки или в буферную емкость для использования в качестве топливного газа. На стадии продувка при самом низком уровне давления адсорбер продувается газом, насыщенным водородом из другого адсорбера. Продувочный газ либо выпускается, либо направляется в буферную емкость. На стадии набора давления давление продуваемого адсорбера постепенно повышается путем нескольких выравниваний давления с другими адсорберами и, наконец, путем рециркуляции чистого водорода. Поскольку рабочие циклы адсорберов смещаются, то, как только один адсорбер входит в режим адсорбции, другой в это время завершает свой режим адсорбции.