Цикл серы и йода

Цикл сера-йод (цикл S-I) представляет собой трехстадийный термохимический цикл, используемый для производства водорода .

Цикл S–I состоит из трех химических реакций , конечным реагентом которых является вода, а конечными продуктами — водород и кислород . Все остальные химикаты перерабатываются. Процесс S – I требует эффективного источника тепла.

Описание процесса

		Н ₂ О				½ Около ₂
		↓				↑
я ₂	→	Реакция 1	←	SO2 + ₂H2O	←	Отдельный
↑		↓				↑
2 ПРИВЕТ	←	Отдельный	→	Н ₂ ТАК ₄	→	Реакция 2
↓
Ч ₂

Три реакции, объединенные для получения водорода, следующие:

I ₂ + SO ₂ + 2 H ₂ O 2 HI + H ₂ SO ₄ (120 °C (250 °F)) ( реакция Бунзена )

Затем HI отделяют перегонкой или гравитационным разделением жидкость/жидкость.

2 H ₂ SO ₄ 2 SO ₂ + 2 H ₂ O + O ₂ (830 °C (1530 °F))

Воду, SO ₂ и остаточную H ₂ SO ₄ необходимо отделять от побочного кислорода путем конденсации.

2 HI I ₂ + H ₂ (450 °C (840 °F))

Йод и сопутствующая вода или SO ₂ отделяются конденсацией , а водородный продукт остается в виде газа.

Чистая реакция: 2 H ₂ O → 2 H ₂ + O ₂

Соединения серы и йода извлекаются и используются повторно, поэтому процесс рассматривается как циклический. Этот процесс S–I представляет собой химическую тепловую машину . Тепло входит в цикл в высокотемпературных эндотермических химических реакциях 2 и 3, а тепло выходит из цикла в низкотемпературной экзотермической реакции 1. Разница между теплом, поступающим в цикл и выходящим из него, выходит из цикла в виде теплоты сгорания. производимого водорода.

Характеристики

Преимущества

Все жидкости (жидкости, газы) обрабатываются, поэтому хорошо подходят для непрерывного производства.
Прогнозируется высокий тепловой КПД (около 50%)
Полностью закрытая система без побочных продуктов и стоков (кроме водорода и кислорода)
Подходит для использования с солнечными, ядерными и гибридными (например, солнечно-ископаемыми) источниками тепла – если можно достичь достаточно высоких температур.
Более развитые, чем конкурирующие термохимические процессы.
Масштабируемость от относительно небольших масштабов до огромных приложений.
Нет необходимости в дорогих или токсичных катализаторах или добавках.
Более эффективен, чем электролиз воды (КПД ~ 70–80 %) с использованием электроэнергии, получаемой от тепловой электростанции (КПД ~ 30–60 %), в сочетании с КПД ~ 21–48 %.
Отходящее тепло подходит для централизованного теплоснабжения, если когенерация . требуется

Недостатки

Требуются очень высокие температуры (не менее 850 ° C (1560 ° F)) – недостижимо или трудно достичь с помощью существующих водо-водяных реакторов или концентрированной солнечной энергии.
В качестве посредников используются коррозионные реагенты (йод, диоксид серы, иодоводородная кислота, серная кислота); поэтому для строительства технологического аппарата необходимы современные материалы.
Для реализации в больших масштабах требуется значительное дальнейшее развитие.
В предлагаемом диапазоне температур современные тепловые электростанции могут достичь эффективности (электрическая мощность на единицу введенного тепла) более 50%, что несколько сводит на нет преимущество в эффективности.
В случае утечки в окружающую среду выбрасываются едкие и несколько токсичные вещества, в том числе летучий йод и иодистоводородная кислота.
Если водород будет использоваться для технологического тепла, требуемые высокие температуры делают преимущества по сравнению с прямым использованием тепла сомнительными.
Невозможно использовать нетепловые или низкопотенциальные источники тепловой энергии, такие как гидроэнергетика, энергия ветра или большинство доступных в настоящее время геотермальных источников энергии.

Исследовать

Цикл S – I был изобретен в General Atomics в 1970-х годах. ^[1]Японское агентство по атомной энергии (JAEA) провело успешные эксперименты с циклом S-I в высокотемпературном испытательном реакторе с гелиевым охлаждением . ^[2]^[3]^[4]^[5] реактор, который достиг первой критичности в 1998 году, JAEA стремится использовать дальнейшие ядерные высокотемпературные реакторы поколения IV ( VHTR ) для производства количества водорода в промышленных масштабах. (Японцы называют этот цикл циклом IS.) Были составлены планы по тестированию более масштабных автоматизированных систем по производству водорода. В рамках соглашения Международной инициативы по исследованию ядерной энергии (INERI) французские CEA , General Atomics и Sandia National Laboratories совместно разрабатывают серно-йодный процесс. Дополнительные исследования проводятся в Национальной лаборатории Айдахо , в Канаде, Корее и Италии.

Материальный вызов

Цикл S – I включает операции с агрессивными химическими веществами при температуре примерно до 1000 ° C (1830 ° F). Выбор материалов с достаточной коррозионной стойкостью в условиях процесса имеет ключевое значение для экономической целесообразности этого процесса. Предлагаемые материалы включают следующие классы: тугоплавкие металлы, химически активные металлы, суперсплавы , керамику, полимеры и покрытия. ^[6]^[7]Некоторые предлагаемые материалы включают сплавы тантала, сплавы ниобия, благородные металлы, стали с высоким содержанием кремния, ^[8] на основе никеля несколько суперсплавов , муллит , карбид кремния (SiC), стекло, нитрид кремния (Si ₃ N ₄ ) и другие. Недавние исследования масштабного прототипирования показывают, что новые технологии поверхности тантала могут быть технически и экономически целесообразным способом создания более масштабных установок. ^[9]

Водородная экономика

Цикл серы и йода был предложен как способ обеспечения водородом экономики, основанной на водороде . Он не требует углеводородов , как современные методы парового риформинга , но требует тепла от сгорания, ядерных реакций или концентраторов солнечного тепла.

См. также

Сноски

^ Безенбрух, Г. 1982. Общий процесс термохимического разделения воды с атомной серой и йодом. Труды Американского химического общества, Div. Домашний питомец. Chem., 27(1):48-53.
^ «Высокотемпературный инженерный испытательный реактор HTTR» . Httr.jaea.go.jp. Проверено 23 января 2014 г.
^ https://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf . Прогресс в атомной энергетике Ядерное тепло для производства водорода: сочетание очень высокой/высокой температурыреактор на завод по производству водорода. 2009 год
^ Отчет о состоянии 101 - Газотурбинный высокотемпературный реактор (GTHTR300C)
^ VHTR JAEA ДЛЯ КОГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ: GTHTR300C
^ Пол Пикард, Серо-йодный термохимический цикл, Обзор водородной программы Министерства энергетики США, 2005 г.
^ Вонга, Б.; Букингем, RT; Браун, ЖК; Расс, БЕ; Безенбрух, GE; Кайпарамбил, А.; Сантанакришнан, Р.; Рой, Аджит (2007). «Разработка конструкционных материалов в серо-йодном термохимическом процессе расщепления воды для получения водорода». Международный журнал водородной энергетики . 32 (4): 497–504. doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.06.058 .
^ Информационный лист Сарамета. Архивировано 14 февраля 2006 г. в Wayback Machine.
^ Т. Дрейк, Б. Е. Расс, Л. Браун, Г. Безенбрух, «Применение тантала в масштабных экспериментах с серой и йодом», Осеннее ежегодное собрание AIChE 2007 г., 566a.

Ссылки

Пол М. Матиас и Ллойд К. Браун «Термодинамика цикла сера-йод для термохимического производства водорода», представленная на 68-м ежегодном собрании Общества инженеров-химиков, Япония, 23 марта 2003 г. (PDF) .
Ацухико ТЕРАДА; Джин ИВАЦУКИ, Шуичи ИСИКУРА, Хироки НОГУЧИ, Синдзи КУБО, Хироюки ОКУДА, Сейджи КАСАХАРА, Нобуюки ТАНАКА, Хироюки ОТА, Каору ОНУКИ и Рютаро ХИНО, «Разработка технологии производства водорода путем термохимического разделения воды. План пилотных испытаний IS-процесса», Journal of Nuclear Наука и техника, Том 44, №3, с. 477–482 (2007). (PDF) .

Внешние ссылки

Водород: наше будущее, созданное с помощью ядерной энергии (в MPR Profile ) выпуске 9
Использование модульного гелиевого реактора для производства водорода ( Симпозиум Всемирной ядерной ассоциации, 2003 г.)

[1] Безенбрух, Г. 1982. Общий процесс термохимического разделения воды с атомной серой и йодом. Труды Американского химического общества, Div. Домашний питомец. Chem., 27(1):48-53.

[2] «Высокотемпературный инженерный испытательный реактор HTTR» . Httr.jaea.go.jp. Проверено 23 января 2014 г.

[3] ttps://smr.inl.gov/Document.ashx?path=DOCS%2FGCR-Int%2FNHDDELDER.pdf . Прогресс в атомной энергетике Ядерное тепло для производства водорода: сочетание очень высокой/высокой температурыреактор на завод по производству водорода. 2009 год

[4] Отчет о состоянии 101 - Газотурбинный высокотемпературный реактор (GTHTR300C)

[5] VHTR JAEA ДЛЯ КОГЕНЕРАЦИИ ВОДОРОДА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ: GTHTR300C

[6] Пол Пикард, Серо-йодный термохимический цикл, Обзор водородной программы Министерства энергетики США, 2005 г.

[7] Вонга, Б.; Букингем, RT; Браун, ЖК; Расс, БЕ; Безенбрух, GE; Кайпарамбил, А.; Сантанакришнан, Р.; Рой, Аджит (2007). «Разработка конструкционных материалов в серо-йодном термохимическом процессе расщепления воды для получения водорода». Международный журнал водородной энергетики . 32 (4): 497–504. doi : 10.1016/j.ijhydene.2006.06.058 .

[8] Информационный лист Сарамета. Архивировано 14 февраля 2006 г. в Wayback Machine.

[9] Т. Дрейк, Б. Е. Расс, Л. Браун, Г. Безенбрух, «Применение тантала в масштабных экспериментах с серой и йодом», Осеннее ежегодное собрание AIChE 2007 г., 566a.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]