Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0149

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0149
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук
Название доклада
Разработка макета энергоустановки на основе электрохимического генератора с риформером дизельного топлива
Докладчик
Снытников Павел Валерьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
1. Разработка образцов коммерчески приемлемых и конкурентоспособных энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов, работающих на распространенном углеводородном топливе (дизельном), для получения электроэнергии и полезного тепла для энергоснабжения различных потребителей, в том числе, в удаленных и труднодоступных районах.
2. Разработка устойчивых к зауглероживанию катализаторов конверсии дизельного топлива.
3. Разработка топливного процессора конверсии дизельного топлива в синтез-газ, используемый для питания твердооксидных топливных элементов.
Актуальность и новизна исследования
Одной из важных задач, сопряженных с разработкой топливных элементов, является создание компактных, эффективных и надежных топливных процессоров – генераторов синтез-газа и водорода. В основе действия этих процессоров лежат каталитические процессы превращения различных типов топлив в синтез-газ (водородсодержащие смеси) с последующим проведением выделения/конвертации его компонентов, препятствующих эффективному протеканию электрохимического окисления водорода в топливном элементе.
Из известных разновидностей топливных элементов твердооксидные топливные элементы (ТОТЭ) функционируют при достаточно высоких температурах ( 800…950 оС) и благодаря этому обладают достаточно высокой стойкостью к содержанию примесных компонентов (в основном соединений серы) в топливе. По сравнению с другими типами топливных элементов, энергоустановки на основе ТОТЭ характеризуются высоким КПД и при этом выставляют минимальные требования к составу топливной водородсодержащей смеси, тем самым конструкция топливного процессора может быть существенно упрощена.
Отсутствие или недостаточная разветвленность необходимой инфраструктуры снабжения топливом для существующих разработок и образцов энергоустановок на топливных элементах является одним из основных сдерживающих факторов для широкого коммерческого внедрения. В этой связи представляется крайне важным для начального, «переходного» периода и реализации наиболее востребованных задач по обеспечению электроэнергией автономных или удаленных объектов в России иметь коммерчески доступный продукт, позволяющий работать на дизельном топливе, логистика которого уже отлажена, и оно широко распространено.
Описание исследования

Принципиально конверсию дизельного топлива в синтез-газ возможно осуществить несколькими способами: парциальным окислением, паровым риформингом, автотермическим риформингом. Принимая во внимание возможность быстрого зауглероживания при парциальном окислении дизельного топлива и низкий выход водорода, наиболее востребованными способами конверсии дизельного топлива являются паровая и автотермическая конверсия. При этом даже в случае осуществления паровой конверсии существует довольно узкий диапазон температур и отношений вода–дизельное топливо, где можно проводить реакцию без осложнений, связанных со смоло- и коксо-образованием. Наиболее типичные условия такого процесса H2O/C = 4–6 и температура 800–850оС. Такой вариант проведения паровой конверсии является достаточно энергозатратным. Поэтому в последние годы развивается технология предварительной паровой конверсии (предриформинга) дизельного топлива при температурах 500–650оС и соотношении H2O/C = 2.5–3.0 до метановодородной смеси. Полученная метановодородная смесь также может быть использована в качестве топлива для ТОТЭ. Использование такой технологии позволяет снизить количество воды, подаваемой на паровую конверсию, провести предриформинг при более низких температурах и снизить вероятность коксообразования.

Другой альтернативный подход, направленный на минимизацию углеродообразования на катализаторе, заключается в частичном испарении дизельного топлива перед подачей в реактор риформинга. При этом наиболее легко испаряемые и подвергающиеся конвертированию легкие фракции совместно с паром поступают в каталитический реактор риформинга с получением на выходе синтез-газа. В то же время наиболее тяжелые и склонные к углеродообразованию фракции направляться в горелку-дожигатель анодных газов. Тепло, выделяющиеся в результате полного окисления тяжелых фракций дизеля и анодных газов топливного элемента используется на нужды самой энергоустановки. Использование такого подхода позволяет, в том числе, работать на марках дизельного топлива с высоким количеством серосодержащих соединений.

Данная работа направлена на разработку и исследование структурированных катализаторов, которые рассматриваются не как отдельные компоненты, а как конструктивные элементы реактора (топливного процессора). За счет этого могут достигаться требуемые характеристики по тепло- и массо-обмену, создаваться каталитические блоки различной геометрии и достигаться необходимые параметры по давлению и температуре в реакторе, достигаться коммерчески приемлемые массо-габаритные характеристики.

Результаты исследования

В работе проанализирована применимость различных вариантов конверсии дизельного топлива в синтез-газ (паровой, паро-воздушной, пароуглекислотной конверсии) и возможность осуществления «водонезависимого» режима работы энергоустановки, в ходе которого анодные газы ТОТЭ являются источником воды, необходимой для осуществления паровой конверсии дизельного топлива. Предложена технологическая схема процесса получения синтез-газа из дизельного топлива, включая блоки водоподготовки, испарения воды и перегрева пара, испарения дизельного топлива, реактора конверсии, нагревательного устройства (горелки). Проведено математическое моделирование основных блоков технологической схемы риформера дизельного топлива.

Проведены испытания катализаторов предриформинга дизельного топлива, позволяющие при низких соотношениях пар/углерод получать смесь метана и синтез-газа, в том числе и при повышенном давлении. Результаты экспериментов показали, что наиболее активные катализаторы обеспечивают состав продуктов реакции, близкий к равновесному. Разработана математическая модель предриформинга дизельного топлива в адиабатическом реакторе с неподвижным слоем катализатора. Оценены параметры модели, начиная от кинетики процесса до расчета коэффициентов тепло- и массо-переноса. Проведено сравнение результатов моделирования с литературными экспериментальными данными. Возможности математической модели продемонстрированы на примере расчетов адиабатических реакторов различной производительности.

В работе представлены результаты по разработке методик синтеза сложных каталитических систем, включающих в качестве активного компонента металлы платиновой группы, в комбинации с кислородпроводящими флюоритоподобными оксидами, а также новых типов теплопроводных металлопористых катализаторов как сотовой, так и микроканальной структуры.

Практическая значимость исследования
Удовлетворение спроса широкого спектра российских потребителей в высокоэффективных электрогенераторах малой мощности, особенно в условиях длительного или полного отсутствия подключения к энергосетям, с почти полным отсутствием необходимости регламентного обслуживания. Разрабатываемые технологии и образцы генераторов являются наиболее перспективными компактными автономными источниками электроэнергии в диапазоне мощностей до десятков кВт для малой генерации и в целом предназначены для обеспечения надежного основного или вспомогательного электроснабжение малой мощности локальных объектов инфраструктуры (объекты связи, системы автоматизации и обеспечения безопасности, управления промышленными процессами и др.), одними из сегментов которого являются вспомогательные энергоустановки для транспорта.