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
Три реакции, объединенные для получения водорода, следующие:
Я 2 + ТАК 2 + 2 Н 2 О- нагревать→2 HI + H 2 SO 4 (120 °C (250 °F)) ( реакция Бунзена )
Затем HI отделяют перегонкой или гравитационным разделением жидкость/жидкость.
2 Н 2 ТАК 4+ тепло→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 ПРИВЕТ+ тепло→ Я 2 + Н 2 (450 °С (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.
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 %.
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] реакторе, который достиг первой критичности в 1998 году. JAEA стремится к дальнейшему использованию ядерных сверхвысокотемпературных реакторов поколения IV ( VHTR ) для производства 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, ниобиевые сплавы, благородные металлы, стали с высоким содержанием кремния, [8] несколько суперсплавов на основе никеля , 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]
^ 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 ядерной энергетике
Ядерное тепло для производства водорода: соединение реактора с очень высокой/высокой температурой с установкой 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.
Рекомендации
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 атомной энергии (в выпуске 9 MPR Profile )
Использование модульного гелиевого реактора для производства водорода ( Симпозиум Всемирной ядерной ассоциации , 2003 г.)
