Технология производства водородосодержащих газовых смесей. Методы, процессы, применение

1.

Технология производства
водородосодержащих газовых смесей
Методы, процессы, применение
Автор: Трубачев Василий Денисович
Группа 343
Проверяющий: Марцулевич Николай Александрович
Санкт-Петербург
2025

2.

Введение. Что такое водородосодержащие газовые смеси?
Определение: Газы, где водород (H₂) является ключевым или целевым компонентом,
но присутствует не в чистом виде
(H₂ <100%).
Основные примеры:
• Синтез-газ (Syngas): Смесь H₂ + CO (основа для многих процессов).
• Водородно-азотная смесь (Аммиачная): H₂ + N₂ (для синтеза NH₃).
• Водородно-углекислотная смесь: H₂ + CO₂ (побочный продукт, сырье).
• Коксовый газ: Содержит H₂, CH₄, CO, CO₂.
• Пиролизный газ: Содержит H₂, CH₄, непредельные углеводороды.
• Водород-обогащенный природный газ (HENG): CH₄ + H₂ (до 20-30% H₂).
Ключевое отличие: Цель - получение смеси, а не чистого водорода (хотя он может быть
промежуточным продуктом).

3.

Зачем нужны водородосодержащие смеси? (Применение)
Сырье для химической промышленности:
• Синтез аммиака (N₂ + 3H₂ → 2NH₃).
• Синтез метанола (CO + 2H₂ → CH₃OH).
• Гидроочистка нефтепродуктов (удаление S, N, O).
• Гидрокрекинг тяжелых фракций нефти.
• Производство оксида углерода (конверсия CO).
Металлургия: Восстановление металлов из руд (прямое
восстановление железа - DRI/HBI).
Энергетика:
• Топливо для газовых турбин (синтез-газ, HENG).
• Компонент топлива для ДВС.
• Источник для топливных элементов (после
очистки).
Пищевая промышленность: Гидрогенизация жиров
(производство маргарина).
Экология: Замена угля/мазута в промышленных печах.

4.

Основные методы производства (Обзор)
Ключевой принцип: Преобразование углеводородного
сырья или воды с выделением H₂.
Основные категории:
• Конверсия углеводородов: (Сырье: Природный газ,
нефтепродукты, уголь, биомасса)
• Паровая конверсия
• Парокислородная конверсия / Аутриформинг
• Парокислородная конверсия угля / Газификация
• Пиролиз
• Электролиз воды: (Сырье: Вода, Электричество)
• Щелочной электролиз
• PEM-электролиз
• Твердооксидный электролиз (SOEC)
• Прочие (менее распространенные для смесей):
• Паровая конверсия этанола / биомассы
• Фотокатализ, биохимические методы
(перспектива).

5.

Паровая конверсия метана (ПКМ) - Основной метод для
Syngas/H₂-N₂
Сырье: Природный газ (CH₄) + Водяной пар (H₂O).
Процесс:
• Реактор с катализатором (Ni/Al₂O₃) при 700-1000°C,
15-30 атм.
• Основная реакция: CH₄ + H₂O ⇌ CO + 3H₂ (ΔH >0,
эндотермическая)
• Побочная (сдвиг): CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂ (ΔH <0,
экзотермическая)
Получаемая смесь: Синтез-газ (H₂ + CO).
Соотношение: H₂/CO ≈ 3:1.
Особенности:
• Высокая эффективность, хорошо отработанная
технология.
• Требует предварительной очистки газа от серы
(отравляет катализатор).
• Выбросы CO₂ (из конверсии и при получении тепла
для реакции).
Схема: Упрощенная схема установки (десульфуризация ->
паровой риформинг -> конверсия CO -> сепарация).

6.

Газификация угля/биомассы (Крупномасштабный
Syngas)
•Сырье: Уголь, биомасса, отходы + Окислитель (O₂, воздух, пар) + Тепло.
•Процесс:
• Нагрев сырья в газификаторе (реакторе) в контролируемой
атмосфере окислителя (недостаток O₂ для полного сгорания).
• Основные реакции:
• Пиролиз: Уголь → Летучие + Кокс/Полукокс
• Окисление: C + O₂ → CO₂ (выделяет тепло)
• Газификация: C + H₂O → CO + H₂ (эндотермическая)
• Газификация: C + CO₂ → 2CO (эндотермическая)
• Конверсия: CO + H₂O ⇌ CO₂ + H₂
•Получаемая смесь: Синтез-газ (H₂ + CO + CO₂ + CH₄ + H₂S + примеси).
Состав сильно зависит от сырья и условий.
•Особенности:
• Позволяет использовать дешевое твердое сырье.
• Требует сложной и дорогой очистки газа от серы, золы, смол, пыли.
• Высокие капитальные затраты.
• Значительные выбросы CO₂, но есть технологии улавливания
(CCS).
•Схема: Типы газификаторов (фиксированный слой, кипящий слой,
энтрейнерный поток).

7.

Электролиз воды (Источник чистого H₂ для смесей)
•Сырье: Деминерализованная вода + Электроэнергия.
•Процесс:
• Пропускание постоянного тока через воду с электролитом
или мембраной.
• Реакция на катоде: 2H₂O + 2e⁻ → H₂ + 2OH⁻ (щелочной) /
2H⁺ + 2e⁻ → H₂ (PEM)
• Реакция на аноде: 4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻ (щелочной) /
2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ (PEM)
•Получаемая смесь: Практически чистый H₂ (и O₂). Может
смешиваться с другими газами целенаправленно (например, с N₂
для аммиака).
•Особенности:
• "Зеленый" водород: Если энергия из ВИЭ (солнце, ветер).
• Высокая чистота продукта.
• Высокие затраты на электроэнергию - основной барьер.
• Модульность, гибкость масштаба (от малого до крупного).
• Пока не основной метод
для промышленных водородосодержащих смесей, но
быстро развивается.
•Схема: Принципиальная схема PEM или щелочного электролизера.

8.

Контроль качества и безопасность
Обеспечения качества и эксплуатационная безопасность
o
o
o
o
Контроль качества:
Непрерывный онлайн-анализ состава газа (хроматографы, газоанализаторы).
Контроль давления, температуры, расходов.
Соответствие стандартам (ГОСТ, TU, ISO).
Безопастность:
Водород горючий и взрывоопасный газ (широкий диапазон воспламеняемости)
Меры: Датчики утечки, системы вентиляции, взрывозащищенное оборудование, пламегасители
Обучение персонала, четкие регламенты работ.

9.

Экономика и экология
Экономические и экологические аспекты
1.
Экономика:
Капитальные затраты (CapEx): Наибольшие у электролиза и POX, наименьшие у SMR.
Операционные затраты (OpEx): Зависят от цены на сырье (газ, электроэнергия).
Экология:
«Серый» h3 (SMR): Высокий углеродный след.
«Голубой» h3 (SMR + CCUS): Улавливание и хранение CO₂.
«Зеленый» h3 (Электролиз на ВИЭ): Нулевые выбросы.

10.

Проблемы и вызовы
Высокая стоимость: Капвложения в установки, стоимость сырья
(особенно для "зеленого" H₂), энергозатраты.
Углеродный след: Основные методы (ПКМ, газификация) связаны
с выбросами CO₂. Проблема "серого" и "голубого" водорода (CCS).
Энергоемкость: Процессы требуют значительных энергозатрат
(тепло на эндотермические реакции, электричество на электролиз,
сжатие).
Сложность и безопасность: Работа при высоких T/P,
взрывоопасность водорода, токсичность CO, требования к
материалам.
Очистка: Сложность и стоимость удаления примесей, особенно из
газа газификации.
Инфраструктура: Транспортировка и хранение
водородосодержащих смесей (особенно с высоким % H₂) сложнее,
чем природного газа.

11.

Тенденции и перспективы
"Зеленый" переход: Рост производства водорода через электролиз
на ВИЭ для получения экологичных смесей.
Улавливание и хранение углерода (CCS/CCU): Интеграция с
ПКМ и газификацией для получения "голубого" H₂/Syngas.
Использование CO₂ как сырья.
Повышение эффективности: Разработка новых катализаторов,
высокотемпературных электролизеров (SOEC), интеграция
процессов.
Использование биомассы и отходов: Газификация/пиролиз для
получения возобновляемого Syngas.
Водород в энергетике: Развитие инфраструктуры для HENG
(водород в газовых сетях), использование Syngas/H₂ в турбинах.
Малотоннажные установки: Распределенное производство
смесей (например, электролиз + смешение с N₂ для локального
производства аммиака).

12.

Заключение
•Водородосодержащие газовые смеси (синтез-газ, H₂-N₂ и
др.) - критически важное сырье для химии, металлургии и
энергетики.
•Технологии производства (ПКМ, парокислородная
конверсия, газификация) хорошо отработаны, но имеют
углеродный след.
•Электролиз воды на ВИЭ - перспективный "зеленый" путь,
но требует снижения стоимости энергии.
•Очистка и подготовка смесей - сложный и дорогой, но
необходимый этап.
•Будущее за комбинацией технологий, повышением
эффективности, CCS и развитием "зеленого" водорода для
экологичных смесей.