Горение водорода

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Водород считается одним из наиболее перспективных топлив как эффективный и экологически чистый энергоноситель. С практической точки зрения горение водорода связано с его использованием в энергетических установках и топливных элементах и безопасностью соответствующих технологических процессов и устройств[1]. Удельная теплота сгорания водорода составляет примерно 140 МДж/кг (верхняя) или 120 МДж/кг (нижняя), что в несколько раз превышает удельную теплоту сгорания углеводородных топлив (для метана — около 50 МДж/кг).

Смеси водорода с кислородом или воздухом взрывоопасны и называются гремучим газом (название происходит от knallgas, нем. knall — громкий хлопок, резкий звук выстрела или взрыва). При зажигании искрой или другим источником смесь водорода с воздухом небольшого объёма сгорает чрезвычайно быстро, с громким хлопком, что субъективно воспринимается как взрыв. В физике горения такой процесс считается медленным горением, или дефлаграцией, однако гремучий газ способен и к детонации, при этом действие взрыва оказывается существенно более сильным.

Наиболее опасны околостехиометрические смеси, где на один моль кислорода приходится два моля водорода, то есть, с учётом того, что в воздухе соотношение кислорода и азота по объёму составляет примерно 1:3,76, объёмное соотношение водорода с воздухом в гремучем газе в стехиометрическом соотношении составляет 2:4,76 ≈ 0,4. Однако гремучий газ способен гореть в широком диапазоне концентраций водорода, от 4 — 9 объёмных процентов в бедных смесях до 75 процентов в богатых смесях, приблизительно в этих же пределах он способен и детонировать[2].

Гремучий газ самовоспламеняется при атмосферном давлении при температуре 510 °C. При комнатной температуре в отсутствие источников зажигания (искра, открытое пламя) гремучий газ может храниться неограниченно долго, однако он способен взорваться от самого слабого источника, так как для инициирования взрыва достаточно искры с энергией 17 микроджоулей[3]. С учётом того, что водород обладает способностью проникать через стенки сосудов, в которых он хранится, например, диффундировать сквозь металлические стенки газового баллона, и не обладает никаким запахом, при работе с ним следует быть чрезвычайно осторожным.

Получение[править | править вики-текст]

В 1766 г. водород получил Генри Кавендиш в реакции металла с кислотой: Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2 (газ). В лабораторных условиях гремучий газ можно получить электролизом воды в реакции H2O → H2 + 0,5 O2.

Применение[править | править вики-текст]

В XIX веке для освещения в театрах использовался так называемый друммондов свет, где свечение получалось с помощью пламени кислород-водородной смеси, направленного непосредственно на цилиндр из негашёной извести, которая может нагреваться до высоких температур (белого каления) без расплавления. В пламени кислород-водородной смеси достигается высокая температура, и также в XIX веке это нашло применение в паяльных лампах для плавления тугоплавких материалов, резки и сварки металлов. Однако все эти попытки применения гремучего газа были ограничены тем, что он очень опасен в обращении, и были найдены более безопасные варианты решения этих задач.

В настоящее время водород считается перспективным топливом для водородной энергетики. При горении водорода образуется чистая вода, поэтому этот процесс считается экологически чистым. Основные проблемы связаны с тем, что затраты на производство, хранение и транспортировку водорода к месту его непосредственного применения слишком высоки, и при учёте всей совокупности факторов водород пока не может конкурировать с традиционными углеводородными топливами.

Кинетическая схема горения водорода[править | править вики-текст]

Горение водорода формально выражается глобальной реакцией H2 + 0,5 O2 → H2O. Однако эта глобальная реакция не позволяет описать разветвлённые цепные реакции, протекающие в смесях водорода с кислородом или воздухом. В реакциях участвуют восемь компонентов: H2, O2, H, O, OH, HO2, H2O, H2O2. Подробная кинетическая схема химических реакций между данными компонентами включает более 20 элементарных реакций с участием свободных радикалов в реагирующей смеси. При наличии в системе соединений азота или углерода число компонентов и элементарных реакций существенно увеличивается.

В силу того, что механизм горения водорода является одним из наиболее простых по сравнению с прочими газообразными топливами, такими как синтез-газ или углеводородные топлива, а кинетические схемы горения углеводородных топлив включают в себя все компоненты и элементарные реакции из механизма горения водорода, он изучается чрезвычайно интенсивно многими группами исследователей[4][5][6]. Однако, несмотря на более чем столетнюю историю исследований, этот механизм до сих пор изучен не полностью.

Критические явления при воспламенении[править | править вики-текст]

Полуостров самовоспламенения смеси H2 + O2. Цифрами 1, 2 и 3 помечены соответственно первый, второй и третий пределы воспламенения[7].

При комнатной температуре стехиометрическая смесь водорода и кислорода может храниться в закрытом сосуде неограниченно долго. Однако при повышении температуры сосуда выше некоторого критического значения, зависящего от давления, смесь воспламеняется и сгорает чрезвычайно быстро, со вспышкой или взрывом. Это явление нашло своё объяснение в теории цепных реакций, за которую Н. Н. Семёнов и Сирил Хиншелвуд были удостоены Нобелевской премии по химии 1956 года.

Кривая зависимости между критическими давлением и температурой, при которых происходит самовоспламенение смеси, имеет характерную Z-образную форму, как показано на рисунке. Нижняя, средняя и верхняя ветви этой кривой называются соответственно первым, вторым и третьим пределами воспламенения. Если рассматриваются только первые два предела, то кривая имеет форму полуострова, и традиционно этот рисунок называется полуостровом воспламенения.

Спорные теории[править | править вики-текст]

В 1960-е году американский инженер Уильям Роудс (William Rhodes) якобы открыл «новую форму» воды, коммерциализированную Юллом Брауном (Yull Brown), болгарским физиком, эмигрировавшим в Австралию. «Брауновский газ», то есть фактически смесь кислорода и водорода, получаемая в аппарате электролиза воды, объявлялся способным очищать радиоактивные отходы, гореть как топливо, расслаблять мышцы и стимулировать проращивание семян[8]. Впоследствии итальянский физик Руджеро Сантилли (en:Ruggero Santilli) выдвинул гипотезу, утверждающую существование новой формы воды в виде «газа HHO», то есть химической структуры вида (H × H — O), где «×» представляет гипотетическую магнекулярную связь, а «—» — обычную ковалентную связь. Статья Сантилли, опубликованная в авторитетном реферируемом журнале International Journal of Hydrogen Energy[9], вызвала жёсткую критику со стороны коллег, назвавших утверждения Сантилли псевдонаучными[10], однако некоторые другие учёные выступили в поддержку Сантилли[11][12].

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Sánchez, Williams - review, 2014
  2. Гельфанд и др., Водород: параметры горения и взрыва, 2008, с. 85,196.
  3. Корольченко, Пожаровзрывоопасность веществ, 2004, с. 311
  4. Konnov A. A. Remaining uncertainties in the kinetic mechanism of hydrogen combustion // Combustion and Flame. — Elsevier, 2008. — Vol. 152. — № 4. — P. 507–528. — DOI:10.1016/j.combustflame.2007.10.024
  5. Shimizu K., Hibi A., Koshi M., Morii Y., Tsuboi N. Updated Kinetic Mechanism for High-Pressure Hydrogen Combustion // Journal of Propulsion and Power. — American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2011. — Vol. 27. — № 2. — P. 383–395. — DOI:10.2514/1.48553
  6. Burke M. P., Chaos M., Ju Y., Dryer F. L., Klippenstein S. J. Comprehensive H2/O2 kinetic model for high-pressure combustion // International Journal of Chemical Kinetics. — Wiley Periodicals, 2012. — Vol. 44. — № 7. — P. 444–474. — DOI:10.1002/kin.20603
  7. Льюис, Эльбе, Горение, пламя и взрывы в газах, 1968, с. 35.
  8. Ball, Philip (2006). «Nuclear waste gets star attention». news@nature. DOI:10.1038/news060731-13. ISSN 1744-7933.
  9. Ruggero Maria Santilli (2006). «A new gaseous and combustible form of water». International Journal of Hydrogen Energy 31 (9): 1113–1128. DOI:10.1016/j.ijhydene.2005.11.006.
  10. J. M. Calo (November 3, 2006). «Comments on "A new gaseous and combustible form of water" by R.M. Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006: 31(9), 1113–1128)». International Journal of Hydrogen Energy 32 (9): 1309–1312. DOI:10.1016/j.ijhydene.2006.11.004.
  11. Martin O. Cloonan (2008). «A chemist's view of J.M. Calo's comments on: "A new gaseous and combustible form of water" by R.M. Santilli (Int. J. Hydrogen Energy 2006:31(9), 1113–1128)». International Journal of Hydrogen Energy 33 (2): 922–926. DOI:10.1016/j.ijhydene.2007.11.009.
  12. J.V. Kadeisvili (2008). «Rebuttal of J.M. Calo's comments on R.M. Santilli's HHO paper». International Journal of Hydrogen Energy 33 (2): 918–921. DOI:10.1016/j.ijhydene.2007.10.030.

Литература[править | править вики-текст]

  • Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. 2-е изд. Пер. с англ. под ред. К. И. Щёлкина и А. А. Борисова. — М.: Мир, 1968. — 592 с.
  • Гельфанд Б. Е., Попов О. Е., Чайванов Б. Б. Водород: параметры горения и взрыва. — М.: Физматлит, 2008. — 288 с. — 700 экз. — ISBN 9785922108980
  • Корольченко А. Я., Корольченко Д. А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х частях. Часть 1. — М.: Ассоциация «Пожнаука», 2004. — 713 с. — ISBN 5-901283-02-3

Обзоры[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]