1 Аналитический обзор

1.1 Водородная энергетика

В последние десятилетие стало очевидным фактом, что дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива будет принуждать индустриально развитые страны расширять сеть атомных энергоустановок, которые во все возрастающей степени станут повышать опасность их эксплуатации. Резко обострится проблема утилизации радиоактивных отходов. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы источников которого неисчерпаемы. Неоспоримым достоинством водородного топлива являются относительная экологическая безопасность его использования, приемлемость для тепловых двигателей без существенного изменения их конструкции, высокая калорийность, возможность долговременного хранения, транспортировки по существующей транспортной сети, не токсичность и т.д.[1,2]

Водородная энергетика — отрасль энергетики, развивающаяся в направлении выработки и потребления энергии человечеством, основанном на использовании водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными технологиями.[2].

Водородная энергетика сформировалась как одно из направлений развития научно-технического прогресса в середине 70-х годов прошлого столетия. По мере того, как расширялась область исследований, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода, становились все более очевидными экологические преимущества водородных технологий в различных областях народного хозяйства. Успехи в развитии ряда водородных технологий (таких как топливные элементы, транспортные системы на водороде, металлогидридные и многие другие) продемонстрировали, что использование водорода приводит к качественно новым показателям в работе систем или агрегатов. Выполненные технико-экономические исследования показали: несмотря на то, что водород является вторичным энергоносителем, то есть стоит дороже, чем природные топлива, его применение в ряде случаев экономически целесообразно уже сейчас. Поэтому работы по водородной энергетике во многих, особенно промышленно развитых странах относятся к приоритетным направлениям развития науки и техники и находят все большую финансовую поддержку со стороны, как государственных структур, так и частного капитала.

1.2 Микроканальные каталитические реакторы в процессах водородной энергетики

Химические процессы получения водорода, связанные с протеканием каталитических реакций, широко распространены в современной промышленности.

Уникальные свойства водорода позволяют считать его универсальным и экологически чистым химическим энергоносителем, пригодным для использования в любых видах тепловых двигателей и устройств получения электроэнергии. Особое значение при этом имеют "топливные процессоры"- каталитические газогенераторы водорода, использующие в качестве его исходного носителя органические соединения типа углеводородов, спиртов и эфиров. Так, использование природного газа или жидких углеводородов в качестве источника синтез- газа является перспективным направлением в водородной энергетике[2].

В настоящее время широко исследуется процесс получения водорода в реакции паровой конверсии метанола или метана в микрокаталитических системах.

Применение микроканальных систем для проведения каталитического процесса паровой конверсии метанола или метана позволяет создать компактные высокоэффективные генераторы для малотоннажного производства водорода, которые можно использовать для мобильных энергоустановок. Однако в настоящее время производство микроканальных реакторов находится лишь на стадии создания опытных образцов. Основными проблемами, препятствующими широкому распространению микроканальных реакторов, являются высокая стоимость их изготовления и отсутствие простой методики надежного закрепления высокоактивного катализатора на микроструктурированном носителе с высоким коэффициентом теплопроводности.

Каталитическая микроканальная система (МКС) представляет собой компактный реактор, внутри которого размещены пластины с каналами субмиллиметровых размеров(рисунки 1, 2) [1,4]. Микроканальные пластины (МКП) являются носителями каталитически активного компонента и их обычно изготавливают из материалов с высокой теплопроводностью. Примеры МКП представлены на рисунках 3, 4.

Конструкция КМС позволяет решить ряд разных проблем, возникающих в традиционных химических реакторах. Среди таких проблем- низкая радиальная теплопроводность неподвижного слоя катализатора, затрудняющая теплообмен в зоне реакции, а также недостаточно эффективное использование катализатора. Экспериментальные исследования подтверждают, что использование каталитических микроканальных систем в процессах получения водорода существенно увеличивает эффективность процессов по сравнению с традиционными химическими реакторами[1,4,5].

Рисунок 1 - Блочный микрореактор паровой конверсии метанола размером 65х90х85 мм, изготовленный из латуни

Рисунок 2 - Микрореактор каталитического парциального окисления метана. Полезный объем МР, занимаемый микроканальными пластинами МКП, составляет 4,0 см3

Перечисленные достоинства МКС приводят к существенному увеличению их удельной производительности, а в ряде случаев и к повышению селективности проходящих в них реакций. Наиболее ярко эти достоинства проявляются при осуществлении быстрых реакций с малым временем контакта и высокими тепловыми эффектами, например, в ходе полного и парциального окисления углеводородов.

Испытания одной секции микрореактора паровой конверсии метанола (рисунок 1), проведенные с использованием МКП, изготовленных из пеноникеля с катализатором Cu–Ce–Al-O (рисунок 3), показали, что при входном потокежидкой смеси метанола и воды 80 см³/ч и температуре реактора 260^оС конверсия метанола составила 80%. При этом производительность по водороду одной секции микрореактора составила 106 дм³/ч, а удельная производительность микрореактора в пересчете на суммарный объем МКП равнялась 4,9 дм³/(см³•ч)[4].

Рисунок 3 – МКП из пеноникеля с внедренным с помощью ультразвука порошком готового катализатора с последующим запрессовыванием его под давлением 250 ат до толщины 0,3-0,8 мм; содержит каналы сечени-ем от 0,1 до 0,5 мм и длиной 12 мм

Рисунок 4 – МКП из нержавеющей стали – лазерная литография с элек-трохимическим травлением поверх-ности; каналы в формы спиралей с сечением 0,2 мм; нанесение и закрепление готового катализатора Cu/ZnO - запрессовывание его частиц (1-5) мкм в смеси со связующим - псевдобемитом