В настоящей главе мы рассмотрели несколько вариантов узла двухступенчатой конверсии оксида углерода. Как видно все усилия по реконструкции любого узла агрегата направлены в первую очередь на снижение энергоемкости производства. Следующая задача реконструкции - повышение производительности агрегата. Часто обе эти задачи объединяются.
Все усилия по реконструкции агрегатов осуществляются в ответ на давление экологического и коммерческого характера, которое испытывают производители аммиака во всем мире. Большинство производителей усматривают для себя выбор следующего порядка: реконструкция для достижения лучших экономических показателей производства аммиака либо закрытие установок как неконкурентоспособных.
Средняя по производительности установка по производству аммиака потребляет приблизительно такое же количество энергии, что и небольшая тепловая электростанция. Достижения науки и техники последних лет позволяют анализировать ситуацию с реконструкцией старых агрегатов аммиака на предмет выработки взамен аммиака как конечного продукта электрической энергии. В этом случае вместо узла синтеза аммиака устанавливаются батареи топливных элементов.
Топливный элемент - устройство для выработки электричества непосредственно на базе процесса окисления простых химических элементов. Топливные элементы обладают высокой эффективностью, высокой экологической безопасностью и низкой стоимостью.
В Соединенных Штатах, Японии, Германии и Нидерландах имеются национальные программы разработки топливных элементов. Активный интерес проявляется в других странах, включая Францию и Швецию. Однако до настоящего времени использование топливных элементов, в основном, ограничивалось мелкомасштабными и специальными видами применения, в основном потому, что они требуют самых чистых и самых дорогих видов топлива.
Топливные элементы в незначительной степени использованы для выработки электроэнергии на промышленном уровне. На сегодняшний день крупнейшая установка по выработке электроэнергии на базе топливных элементов - это станция мощностью 11 МВтпостроенная в Японии в 1991 году.
Для топливных элементов водород является наиболее приемлемым видом топлива. Аммиачная установка - это большая установка по производству водорода. Программы реконструкции устаревших агрегатов аммиака в качестве альтернативы предусматривают изготовление и применение топливных элементов.
Топливный элемент - это электролитический элемент/ячейка наоборот: он предназначен для выработки электроэнергии из химической реакции, а не для того, чтобы использовать электроэнергию в химической реакции как источник хода химической реакции. Топливные элементы способны конвертировать химическую энергию в электрическую при минимуме потерь тепла, а их энергоэффективность может быть достаточно высокой по сравнению с обычными тепловыми электростанциями.
Для тепловых элементов, которые используют водород в качестве топлива, суммарные химические реакции, протекающие в рамках процесса, достаточно просты:
H2 + 2OH- « 2H2O + 2e на аноде (4.36)
0,5 O2 + H2O + 2e « 2 OH- на катоде (4.37)
Топливный элемент может рассматриваться в простейшем случае как два электрохимических реактора, соединенных “трубками” для того, чтобы переносить электроны, ионы и т.д. от одного реактора к другому. Водород (после метанатора) и кислород (из воздуха) поступают в топливный элемент и происходит выработка электроэнергии. Подготовка водорода для использования в качестве топлива в топливном элементе принципиально повторяет схему получения азотоводородной смеси для производства аммиака. Таким образом, при реконструкции агрегатов можно устанавливать систему топливных элементов взамен отделения синтеза аммиака.
Однако не следует думать, что установка топливных элементов так проста. Следует предусмотреть множество вопросов, связанных с внутренним балансом установки.
Вбудущем проблема выработки энергии не будет рассматриваться автономно, только лишь в рамках энергетической отрасли.
По мере взаимного интегрирования различных промышленных направлений данный вопрос будет решаться совместно со всем комплексом проблем в рамках промышленного производства. Крупные химические кампании уже сейчас являются крупными и значительными производителями электроэнергии. Имеется несколько “мостов” между природным газом, аммиаком и электричеством, вырабатываемых с помощью топливных элементов. Исходя из этого, концепция реконструирования аммиачных установок для целей выработки электрической энергии заслуживает пристального внимания.