بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مروري بر انواع روش هاي توليد و جداسازي گاز هيدروژن
چکيده
مجموعه اي از عوامل مختلف از جمله محدوديت منابع فسيلي، تاثيرات منفي زيست محيطي، بهـره گيـري از منـابع هيـدروکربني، افزايش قيمت سوخت هاي فسيلي، منازعات سياسي و تاثيرات آن بر ارائـه انـرژي پايـدار از جملـه دلايلـي هسـتند کـه بسـياري از سياستمداران و متخصصين مباحث انرژي و محيط زيست را در حرکت به سوي ايجاد ساختاري نوين مبتني بر امنيت ارائه انـرژي، حفظ محيط زيست ، ارتقاء کارايي سيستم انرژي وادار نموده است . از جمله منابعي که در آينده ميتواند بـه عنـوان سـوخت پـاک، قابل حمل و نقل ، مناسب و کارآمد مورد استفاده قرار گيرد علاوه بر الکتريسيته ، هيدروژن مي باشد. در اين مطالعه به بررسـي انـواع روش هاي توليد گاز هيدروژن از جمله ريفورمينگ هيدروکربن ها، ريفورمينگ فاز آبي، پيروليز، تجزيه آب و روش هاي ديگر پرداخته و معايب و مزاياي هر روش را ذکر کرده ايم . از آنجائي که در بيشتر مصـارف و بـويژه در کاربردهـاي صـنعتي بـه هيـدروژن خـالص نيازمنديم ، ضرورت جداسازي و خالص سازي آن امري مهم ميباشد که در انتها به مهم ترين فراينـدهاي جداسـازي هيـدروژن کـه شامل جذب با تغيير فشار، کرايوژنيک و فناوريهاي غشائي است ، پرداخته شده و کاربردهاي هر کدام از اين روش ها نيز ذکـر شـده است .
واژه هاي کليدي : توليد هيدروژن ، جداسازي هيدروژن ، فرايند غشائي، فرايند کرايوژنيک ، پيروليز، ريفورمينگ هيدروکربن ها
١- مقدمه
از جمله منابعي که در آينده ميتواند به عنوان سوخت پاک، قابل حمل و نقل ، مناسب و کارآمد مورد استفاده قرار گيرد هيدروژن ميباشد.هيدروژن به همراه الکتريسيته ميتواند تمامي نيازهاي انرژي را برآورده ساخته و فرمي از سيستم انرژي را ايجاد ميکنند که همواره دائمي بوده و مستقل از سوخت هاي ديگر است . برخي از خصوصيات منحصر به فردي که باعث ميشود هيدروژن به عنوان يک حامل ايده آل انرژي مطرح گردد، ميتواند شامل موارد زير باشد:
- با بازدهي نسبتا بالا به الکتريسيته تبديل شده و يا از آن توليد ميگردد.
- ماده خام براي توليد هيدروژن ميتواند آب باشد که به فراواني قابل تهيه است . هيدروژن يک سوخت کاملا تجديدپذير بوده چرا که محصول هيدروژن به کار گرفته شده (چه از طريق احتراق و چه از تبديلات الکتروشيميايي) آب خالص يا بخارآب ميباشد.
- نسبت به سوخت هاي ديگر، از راه هاي گوناگون و مناسب تري به فرم هاي ديگر انرژي تبديل ميشود.
- به فرم هاي گاز، مايع و جامد (هيدريدهاي فلزي ) قابل ذخيره سازي است .
بر اين اساس هيدروژن يکي از بهترين گزينه ها جهت ايفاي نقش حامل انرژي در اين سيستم جديد ارائه انرژي ميباشد شکل ١، سيستم جهاني انرژي را نشان ميدهد که الکتريسيته و هيدروژن ميتوانند از منابع در دسترس انرژي توليد شده و در بسياري از کاربردها مورد استفاده قرار گيرند.
شکل ١ سيستم انرژي هيدروژن . الکتريسيته [١]
١-١ انواع روش هاي توليد هيدروژن
هيدروژن به عنوان فراوان ترين عنصر موجود در سطح زمين به روش هاي مختلف قابل توليد ميباشد. در ادامه به معرفي انواع روش هاي توليد هيدروژن خواهيم پرداخت .
١-١-١ ريفورمينگ پلاسمايي
در ريفورمينگ پلاسمايي، الکتريسيته جهت ايجاد پلاسما به کار گرفته ميشود که اين پلاسما، انرژي و راديکال هاي مورد نياز در واکنش هاي ريفرمينگ را فراهم ميسازد. زماني که آب يا بخار به همراه سوخت تزريق ميشود، راديکال هاي ، و همراه با شرايط ايجاد الکترون ها تشکيل ميشوند که در نتيجه ، واکنش هاي کاهش و اکسيداسيون رخ ميدهند. ريفورمينگ پلاسمايي مزاياي زيادي دارد که شامل نبود کاتاليست ،کوچک و کم وزن بودن سيستم ، دماي پايين عملياتي، سريع بودن زمان واکنش ، غيرحساس بودن به سوخت و نبود شرايط سميت ميباشد. تنها عيب اين روش نياز به الکتريسيته و سائيدگي الکترودي (Electrode Erosion) به ويژه در فشارهاي بالا است [٢].
١-١-٢ ريفورمينگ فاز آبي
ريفورمينگ فاز آبي (Aqueous Phase Reforming) جهت انجام فرايند بر روي هيدروکربن هاي اکسيژني يا کربوهيدرات ها در راستاي توليد هيدروژن کاربرد دارد. اين راکتورها در فشارهاي بالاي MPa ٣٠-٢۵ و دماهاي ٧۵٠- ٢٢٠ درجه سانتيگراد عمل ميکنند [٣]. اين فرايند از لحاظ انرژي مقرون به صرفه ميباشد چرا که نيازي به تبخير آب و هيدروکربن هاي اکسيژن دار وجود ندارد. در فرايند APR، از لحاظ ترموديناميکي شرايط دمايي براي واکنش جابجائي آب - گاز مطلوب بوده که اين امر از توليد سطوح بالاي CO جلوگيري ميکند [۴].
١-١-٣ کراکينگ آمونياک
آمونياک ماده گراني نبوده و جهت استفاده در کاربردهاي حمل و نقلي در پيل هاي سوختي مورد استفاده قرار ميگيرد.
کراکينگ آمونياک جهت توليد هيدروژن واکنشي گرماگير بوده و معکوس واکنش سنتز در نظر گرفته ميشود [۵]. در صنعت ، سنتز آمونياک تقريبا در دماي ۵٠٠ درجه سانتيگراد و فشار atm انجام ميشود. واکنش کراکينگ برخلاف سنتز نيازمند فشار بالا نبوده و تقريبا در دماهاي ٩٠٠-٨٠٠ سانتيگراد رخ ميدهد [٢و۶].
١-١-٤ بيومس
به احتمال زياد، بيومس تنها جايگزين شناخته شده تا به امروز براي نفت ميباشد. منابع بيومس گسترده ميباشد از جمله : مدفوع حيوانات ، زباله هاي جامد شهري، پسماند محصولات کشاورزي، خاک اره ، گياهان آبزي، کاغذ باطله و غيره . در حال حاضر براي توليد هيدروژن ، فناوريهاي بيومس عبارتند از: تبديل به گاز، تبديل به سوخت هاي مايع از طريق استخراج فوق بحراني (Supercritical Extraction)، هيدروليز و توليد بيولوژيکي هيدروژن [٧].
١-١-٥ آب
پژوهش هاي گسترده اي در زمينه شکستن آب براي ايجاد هيدروژن و اکسيژن به انجام رسيده است . در واقع ، موارد تجاري استفاده از آن ، به سال ١٨٩٠ برميگردد. توليد هيدروژن از آب ، به ٣ دسته تقسيم ميگردد: الکتروليز (برقکافت )، ترموليز (گرماکافت ) و فوتوليز (نورکافت ) [٩و٨]. در حالت بسيار ساده براي شکستن آب از روش الکتروليز استفاده مي - کنند که در اين روش ، يک جريان الکتريکي از ميان الکترودها عبور ميکند.گرماکافت از دماهاي بالا (٢۵٠٠ درجه سانتيگراد ) جهت تجزيه آب به هيدروژن و اکسيژن استفاده ميکند. نورکافت بطور مستقيم از نور خورشيد جهت تجزيه آب به اکسيژن و هيدروژن استفاده ميکند. اين روش مشابه با فتوولتائيک ميباشد با اين تفاوت که آند و کاتد نوري در الکتروليت آبي فرو ميرود [٩].
١-١-٦ پيروليز
اين فرايند به تجزيه هيدروکربن ها به هيدروژن و کربن در محيط عاري از هوا و آب اطلاق ميشود [٨]. پيروليز با هر گونه ماده آلي قابل انجام ميباشد. چنانچه آب يا هوا در محيط موجود نباشد، اکسيد کربن توليد نشده و متعاقبا منجر به کاهش ميزان خروجي در اين فرايند ميشود. از آن جائي که CO يا CO2 در طي اين فرايند انجام نميشود نياز به راکتورهاي ثانويه جهت جداسازي اين گاز وجود نخواهد بود. واکنش در عدم حضور آب يا اکسيژن به صورت زير ميباشد
١-١-٧ هيدريدهاي شيميايي
هيدريدهاي شيميايي، نوعي از ترکيب هاي شيميايي هستند که وقتي حرارت داده شوند يا با ترکيبات ديگري نظير آب واکنش دهند، هيدروژن آزاد ميکنند و نرخ رهايش هيدروژن را ميتوان توسط فاکتورهاي دما (تجزيه هيدريد) يا ميزان نرخ اختلاط با آب (هيدروليز) کنترل کرد [١٠]. انواع مختلفي از هيدريدهاي شيميايي وجود دارد که در ميان آن ها بوروهيدريد سديم توسعه بيشتري يافته است [١١]. به طور نمونه ، بوروهيدريد سديم در آب انحلال مييابد و محلولي توليد ميکند که متشکل از ٨-٧ درصد وزني هيدروژن است [٩]. اين بخش از شيمي، فوايد زيادي به همراه دارد از جمله مي- توان به موارد زير اشاره کرد: غير سمي بودن ، پايداري در دماي اتاق ، ايمن و بي بو بودن ، عمل کردن بستر راکتور در دماي اتاق و سادگي کنترل توليد هيدروژن . اشکال عمده آن مربوط به هزينه بالاي مواد (تقريبا ۵٠ برابر بيشتر از هزينه معادل با قيمت بنزين است ) و انرژي بالاي مورد نياز جهت ساخت و يا بازيافت مواد ميباشد [١٠و١١].
١-١-٨ ريفورمينگ هيدروکربن ها
در راستاي توليد هيدروژن ، هيدروکربن هاي گوناگوني مورد استفاده قرار گرفته اند که منابع و شرايط مختلف تبديل آن - ها درجدول ١ ارائه شده است [١٢].
سه روش عمده براي توليد هيدروژن از سوخت هاي هيدروکربني شامل ريفورمينگ با بخارآب ، اکسيداسيون جزئي (POx) و ريفورمينگ خودگرما (ATR) ميباشد. ريفورمينگ بخاري هيدروکربن ها، به شدت گرماگير بوده و نيازمند دماهاي بالا و منبع اضافي گرما ميباشد. POx جايگزيني براي ريفورمينگ بخاري ميباشد، زمانيکه از احتراق جزئي هيدروکربن با اکسيژن ، گرماي واکنش تامين ميشود. فرايند سوم ، ATR، از لحاظ گرمايي خنثي بوده و ترکيبي از ريفورمينگ با بخار آب و اکسيداسيون جزئي با نسبت اندازه گيري شده ميباشد. شايان ذکر است که هر سه فرايند باعث توليد مقادير زيادي از CO ميگردند، در نتيجه به يک يا چند راکتور جابجايي آب -گاز نياز است . از آن جايي که فرايندهاي POx و ATR گرمازا نيستند، نيازمند راکتور پيچيده و حرارت دادن نيستند. اگرچه وجود واحد جداسازي اکسيژن و يا هر محصول گازي ديگر که با نيتروژن موجود در هوا رقيق شده است ، ضروري ميباشد که اين واحد را پرهزينه و پيچيده ميکند. از ميان روش هاي ذکر شده ، ريفرمينگ با بخارآب براي توليد هيدروژن ترجيح داده ميشود چرا که اين روش ، بازده توليد هيدروژن بالايي نسبت به روش هاي ديگر دارد [٢].
̅. ريفورمينگ با بخارآب
ريفورمينگ با بخارآب فرايند ايجاد شده جهت تبديل گاز طبيعي يا هيدروکربن ها به گاز سنتزي مي باشد. در ابتدا خوراک ورودي به راکتور وارد مرحله Hydro Desulphurization( HDS) ميشود و سولفور از محصول جدا ميگردد.
هيدروکربن ها در ريفرمر توسط واکنش هاي زير به هيدروژن تبديل ميشوند.
در مجموع ، اين واکنش ها به شدت گرماگير ميباشند. گاز خروجي از ريفرمر سرد شده و هيدروژن بيشتري از طريق راکتور جابجايي توليد ميشود. خالص سازي نهايي در واحد جذب نوساني فشار Pressure Swing Adsorption Unit( PSA) انجام ميگيرد. طرح اجمالي از توليد هيدروژن در شکل ٢ ارائه شده است [١۴].
شکل ٢ شماي کلي واحد توليد هيدروژن [١۴]
̅ اکسيداسيون جزئي
فرآيند اکسيداسيون جزئي در حضور هوا (اکسيژن ) انجام ميگيرد.گاز طبيعي، اکسيدکننده (نظير O2) و عامل تعديل کننده (بخار) جهت احتراق وارد راکتور POx شده و واکنش ميدهند که شامل واکنش هاي زير ميباشد:
