ВЯЗОВИК В.Н. СВЯЗЬ ЗАКОНА ГЕССА И ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА

Ключевые слова: ,


ВЯЗОВИК В.Н. СВЯЗЬ ЗАКОНА ГЕССА И ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКОГО СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА


Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/05/758 (дата обращения: 26.05.2017).

Процессу горения играют существенную роль в жизнедеятельности человека. Само горение используется в таких разнообразных отраслях промышленности, как энергетика, химическая промышленность, металлургия, транспорт, и тому подобное. Но запасы топлива, которое можно было бы сжигать, очень быстро исчерпываются. И одной из основных глобальных проблем современной цивилизации есть то, что с каждым годом мировые запасы топлива для тепловой энергетики уменьшаются, а потребности в топливе все увеличиваются и достаточно не найдено адекватной альтернативы теплоэнергетике. Альтернативе тепловой энергетике, которая бы удовлетворила человечество, пока не существуют. Атомная энергетика позволяет получать достаточно дешевую энергию, но её оборудование сложное за строением и очень опасное, имеет очень сложный топливный цикл, в результате которого образуется большое количество токсичных и радиоактивных отходов, которые очень сложно, а иногда даже невозможно переделать и потому необходимо их складировать в специальных хранилищах, которые требуют также сложного и ценного оборудования. Существует сейчас огромное количество виды альтернативной энергетики. Это и солнечная энергетика, гидроэнергетика, энергетика ветра, термальных источников, и тому подобное. Но все эти методов имеют невысокую эффективность, и могут удовлетворить потребность в энергии лишь на 15-20 %. Кроме того некоторые виды альтернативной энергетики также сложны за строением ( например гелиоаэробаричные электростанции при мощности до 200 МВт сложные за строением, имеют высоту сотен или тысяч метров («солнечные башни» в Австралии) и стоят больших средств – свыше 8 млрд. долларов или занимать большие площади и малые мощности ( до 10 МВт)), невозможности ли их использовать из-за особенности их конструкций ( так ветреные электростанции возможно использовать лишь на берегах моров, океанов, степях и т.п, где скорость ветра достаточна для работы ветряков и имеют очень низкую эффективность и требуют установления большого количества ветряков.). В связи с этим нужный поиск новых подходов к проблеме интенсификации процессов горения. Актуальность этого направления связана, в том числе, из относительно низкой реакционной способностью естественных углеводородов, в связи с чем процесс горения в современных камерах сгорания полностью не завершается и в атмосферу выбрасывается много экологически вредных продуктов неполного горения. Одним с перспективным решением этой проблемы может оказаться переход на новые принципы сжигания углеводородов, основанные на инициации процесса горения на катализаторе в электрическом разряде, которая имеет название электрокаталитической интенсификации. Использование электрокаталитической интенсификации базируется на предварительной инициализации процесса горения в зоне электрического разряда на катализаторе, в результате чего происходит замена термической инициализации процесса горения, которая происходит при обычном сжигании и которая потребляет достаточно большое количество энергии ( так для инициализации 1 молю метана необходимо до 400 кДж) на электрокаталитические, которая потребляет значительно меньшее количество энергии ( так для того же метана она представляет всего несколько кДж). Дополнительное количество энергии, которое при этом образуется идет на целевые потребности. Это позволит значительно уменьшить расходы горючего ( до 10-12 % в зависимости от вида топлива и способа его сжигания), уменьшить выбросы в окружающую среду за счет более полного сгорания топлива ( степень выгорания топлива повышается на 15 %) и уменьшения выбросов таких токсичных соединений как оксиды азота (до 80 %), углерода (II) ( до 50 %). Но рассматривая в целом процесс электрокаталитической интенсификации процесса горения возникает вопрос – не противоречит ли именно електрокатилитическая интенсификация процесса горения основным законам постоянства сумм теплот сгорания. Поэтому была поставленная задача рассмотреть электрокаталитическую интенсификацию из точку зрения основных законов постоянства сумм теплот сгорания. Рассмотрим процесс горения газообразного топлива на примере метана. Согласно первому закону термодинамики внутренняя энергия системы зависит только от состояния в данный момент, потому ее изменения при переходе системы от одного состояния в другой зависят от начального и конечного состояния и не зависят от пути перехода. Адаптировал данный закон к химической реакции, заменив внутреннюю энергию теплотами сгорания и доведя опытно в 1940 году советский ученый Гесс. Данный адаптированный закон получил название закон Гесса. Данный закон Гесса свидетельствует, что « тепловой эффект химической реакции зависит только от начального и конечного состояния, но не зависит от пути, за которым он протекает».[1] При обычном горении естественного газ, который в основном состоит приблизительно из 94 % метана, а все другое складывают азот (до 3,3 %) и насыщены углеводороды (около 2,5 %) и углекислого газа ( в зависимости от времени года и источника подачи может изменяться от долей процента до нескольких процентов). Сам процесс горения метана можно представить схемой, которая приведена на рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 Схема окисающего СН4 в стехиометрической метано-воздушнойй смеси при атмосферном давлении[2]

 

Будь какой химический процесс, а значит и процесс горения как обычный так и при электрокаталитической интенсификацией требует первичной стадии инициализации. Для инициализации  процесса горения газообразного топлива необходимо подвести определенное количество тепла.

Реакция инициализации процесса горения метана

СН4 + М → СН3  + Н  + М,                                                                                                  (1)

какоторая протекает  в зоне горения. Энергия активации для этой реакции складывает около 439,58 кДж/моль, а передекспоненциональный множитель уравнения Аррениуса для определения константы скорости равняется 2,4·1016 моль/ см3 с [3,4].

Радикал СН3, который образовался за этой реакцией в дальнейшем вступает в реакцию с кислородом, разрушается в других реакциях, то есть является началом целой цепи химических реакций, в результате которых в конечном результате образуется СО2 и Н2О. Весь процесс горения может дать до 800 кДж/моль энергии. То есть почти треть энергии тратится на инициирование  процесса горения  – образование радикалу СН3.

При электрокатализе этот процесс протекает непосредственно перед зоной сгорания за счет потока электронов в барьерном или объемном разрядах. Эти электроны, сталкиваясь с молекулой метана, инициируют реакцию образования радикалу СН3  и при этом образуют дополнительно 1 электрон из каждой молекулы. То есть после столкновения одного электрону с молекулой метана уже существует два электрона. И так начинается лавинообразный процесс. И все это происходит перед зоной горения, то есть при попадании газообразного топлива в зону горения он имеет другой состав. Кроме горючих обычных составляющих топлива – метана, водорода, высших углеводородов – добавляется определенное количество радикалов СН3 . Согласно проведенных расчетов математических моделей процесса електрокалітичної интенсификации концентрация радикалу при обработке в зоне разряда 0,0001 с может достигать до 1 моля /м3[5]. Дополнительно в зоне разряда образуется атомарный водород, который также может выступать в качестве инициатора многих химических реакций.

Радикал СН3, который образовался за реакцией (1) вступает в реакцией или по обычной схеме, которая приведена на рис. 1, или за схемой, когда происходит ли образование на катализаторе дополнительных органических соединений, которые потом также вступают в реакцию горения, но имеют другую теплотворную способность и которые выполнять роль в зоне горения дополнительных источников радикалу СН. Так на катализаторе возможное образование метилового спирта. Метиловый спирт в зону горения образует радикал СН3 за реакцией

СН3ОН + М→ СН3 + НО + М                                                    (2)

Энергия активации для этой реакции складывает около 380,81 кДж/моль, а передекспоненційний множитель уравнения Аррениуса для определения константы скорости равняется 1,7·1016 моль/ см3 с [3,4]. То есть эта реакция протекает имеет приблизительно такую же скорость как и (1), но у нее значительно низшая энергия активации и потому выход радикалу СН3 больше. Кроме того метиловый спирт значительно лучше образует ионы, чем метан и это дополнительно инициирует процесс горения.

При проведенные исследований електрокатилитической интенсификации процесса горения было исследовано образование метилового спирта при разных составляющих газовой смеси. Так как любой природный газ содержит кроме перечисленных газов, еще и пары воды были исследованы синтез метилового спирта при електрокатилитической обработке разными способами при разных катализаторах и температурах.  Результаты этих исследований приведены в табл. 1.

 

Таблица 1 -Результаты синтеза метанола с использованием электрокатализа

№ п.п.

Условия ( состав и способ обработки)

Катализатор

Температура, ºС

Содержимое метанола, моль/м3

1

Смесь метана с углекислым газом и парами воды в разряде

Железо-хромовый

350

27,8

2

Метан в разряде, потом смесь с углекислым газом и парами

Железо-хромовый

350

34,73

3

Метан и пары воды в разряде, потом смешивается с углекислым газом

Железо-хромовый

350

33,9

4

Метан и пары воды в разряде, потом смешивается с углекислым газом

Железо-хромовый

450

47,32

5

Смесь метана с углекислым газом и парами воды в разряде

Хромовый

350

18,3

6

Смесь метана с углекислым газом и парами воды в разряде

Хромо-цинковый

350

26,58

7

Метан и пары воды в разряде, потом смешивается с углекислым газом

Хромо-цинковый

350

8,74

8

Смесь парів воды и метан в первом разряднике, смесь углекислого газа и парів воды во втором, потом оба потока смешиваются

Хромо-цинковый

350

28,6

9

Метан в первом разряднике, смесь парів воды и углекислый газ во втором, потом оба потока смешиваются

Хромо-цинковый

350

21,72

10

Метан в первом разряднике, углекислого газа во втором, потом оба потока смешиваются

Хромо-цинковый

350

9,4

 

Как видно из табл.1 в зависимости от состава газа, а именно присутствию паров воды и углекислого газа в момент обработки, катализаторе и температуры, которая поддерживается в зоне электрокатализа образуется разное количество метилового спирта. Его концентрации могут изменяться от 8,74 до 47,32 моль/м3.

При разрушении метилового спирта в зоне горения дополнительно образуется радикал НО, который образуется при обычном горении и является одной из причин возникновения пределов воспаления и является очень активным окислителем. Кроме того этот радикал подавляет образование термических оксидов азота за счет связывания атомарного кислорода. При замене катализатору вместо метилового спирта может синтезироваться другое органическое соединение ( например, формальдегид).

То есть в начальной смеси присутствующий еще один компонент  – метиловый спирт.

Из всего выше сказанного свидетельствует, что в начальной смеси, которая подается на сжигание кроме составляющих любого природного газа при использовании электрокаталитической интенсификации присутствующие еще дополнительно радикал СН3 протон водорода и метиловый спирт или другое органическое соединение. То есть согласно закона Гесса мы изменили начальное состояние и как следствие у нас происходило изменение теплового эффекта химической реакции в сторону увеличения. А сам процесс горения метана или любого другого топлива остается неизменным и протекает за обычным химизмом. Изменяются лишь начальные условия.

В результате происходит большее выделение тепла, которое подтверждантся результатами исследований, которые представлены на рис. 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2 Зависимость изменения температуры воды при сжигании газообразного топлива

1 – без обработки; 2 – с обработкой.

 

Как видно из  черт. 2 при использовании электрокаталитической интенсификации температура  воды, которая нагревается увеличивается до 5ºС для 100 дм3 воды, то есть вода получила на 2095 кДж тепла больше  при сжигании 1 м3 газообразного топлива. При этом расходы энергии для проведения этого процесса складывали 50 Дж.

 

Литература

1. Хзмалян Д.М Теория горения и топочные устройства / Хзмалян Д.М, Каган Я.А.. – М.: Энергия, 1976 – 486 с.

2. Химия горения /[ Гардинер У. мл., Диксон-Льюис Г., Трое Ю., Варнаттс Ю. и др]; под ред Гардинер У.. – М.: Мир, 1988- 464 с.

3. Alexander Konnov Detailed reaction mechanism for small hydrocarbons combustion Previous version: July 14, 2000— Updated: July 16, 2003 – 302 с.

4. Кондратьев В.Н. Кинетика и механизм газофазных реакций / Кондратьев В.Н., Никитина Е.Е. – М.: Наука, 1974 – 558 с

5. Вязовик В.М. Математична модель процесу горіння газоподібного палива з використанням електрокаталітичного методу інтенсифікації/Вязовик В.М. //Вісник ЧДТУ- №1- 2011 – С. 110-114.

6. Вязовик В.М. електрокаталітична інтенсифікація горіння газоподібного  палива/ Вязовик В.М., Столяренко Г.С. Марцінишин Ю.Д.,Водяник О.В.// Вопросы химии и химической технологии, №2- 2008 – С.108-111.



Все статьи автора «Виталий»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: