alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2017.19-21.095-105alternative-1123Research ArticleВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКАHYDROGEN ECONOMYМИНИ-ТЭЦ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА И КОНВЕРТОРА МЕТАНА С ЗАТОРМОЖЕННЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМMINI CHP BASED ON THE ELECTROCHEMICAL GENERATOR AND IMPEDED FLUIDIZED BED REACTOR FOR METHANE STEAM REFORMINGДубининА. М.DubininA. M.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»

D.Sc. (engineering), Professor of Power Engineering and Thermal Engineering department

s.e.shcheklein@urfu.ruЩеклеинС. Е.ShekleinS. E.

д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возоб- новляемые источники энергии»

D.Sc. (engineering), Professor, the Head of Atomic Stations and Renewable Energy Sources department

s.e.shcheklein@urfu.ruТупоноговВ. Г.TuponogovV. G.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»

D.Sc. (engineering), Professor at Heat Power Engineering Department

s.e.shcheklein@urfu.ruЕршовМ. И.ErshovM. I.

магистрант

M.Sc. student

s.e.shcheklein@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University Named after the First President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation201715102017019-2195105Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20172017Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/1123

Предложена компоновка когенерационной энергоустановки (мини-ТЭЦ) с реактором конверсии метана и батареей твёрдооксидных топливных элементов (ТОТЭ) планарной конструкции. Такая мини-ТЭЦ вырабатывает электроэнергию, производит перегретый водяной пар, подогревает воздух и метан, используемые в конверторе, а также катодный воздух, используемый в батареях ТОТЭ в качестве окислителя. Кроме того, создана математическая модель работы этой энергоустановки. Экспериментально исследована работа термохимического реактора с заторможенным псевдоожиженным слоем – реактора, который является основой для производства синтез-газа (топливо для батарей ТОТЭ). Для обеспечения эндотермической реакции паровой конверсии метана в реакторе при соотношении 3:1 и подогрева продуктов этой же реакции, часть продуктов конверсии окислялась воздухом, подававшимся в верхнюю зону заторможенного псевдоожиженного слоя. Исследования показали, что с помощью этого реактора можно получать синтез-газ, содержащий 55 % водорода. С помощью математического моделирования уточнены основные размеры реактора, а также расход метана, воды и воздуха на конверсию метана. Представлены тепловые балансы конвертора, батареи ТОТЭ и котла-утилизатора, предназначенного для производства перегретого водяного пара, подогрева воздуха и метана, используемых в конверторе, а также катодного воздуха, на основе которых рассчитаны: доли полезного продукта в конверторе метана, водорода, окисленного в аноде ТОТЭ, электрический КПД (брутто), температура в аноде, экзотермический эффект ре- акции окисления водорода из синтез-газа кислородом из воздуха, приращение энтропии при стандартных параметрах и изменение энергии Гиббса, ЭДС топливного элемента, удельные расходы условного топлива на производство электрической и тепловой энергии. Расчёты показали, что температура продуктов окисления водорода в аноде ТОТЭ составила 850 ºС; электрический КПД (брутто) – 61,0 %; ЭДС одного топливного элемента – 0,985 В; доля водорода, окисленного в аноде ТОТЭ, – 64,6 %; удельный расход условного топлива на выработку электрической энергии – 0,16 кг у.т./(кВт·ч); тепловой энергии – 44,7 кг у.т/ГДж. Удельные параметры согласуются с данными других исследований.

 

The paper presents the scheme of mini CHP with methane reformer and planar solid oxide fuel cells (SOFC) stack. The mini CHP produces electricity, superheated steam, hot air and methane for the reformer and it also preheats cathode air used in the SOFC stack as an oxidant. Moreover, the scheme’s mathematical model is constructed. The thermochemical reactor with impeded fluidized bed for autothermal steam reforming of methane (reformer) studied experimentally is the key element in producing synthesis gas – fuel for the SOFC stack. The research indicates that synthesis gas containing 55% of hydrogen can be derived using the reactor. Through mathematical modeling, the entire reactor’s principal dimensions as well as flow rates of air, water and methane were adjusted to the methane reforming for the mini CHP studied. The paper includes the heat balances of the reformer, SOFC stack and waste heat boiler that produces the superheated steam, hot air and methane for the reformer as well as preheated cathode air. These balances were instrumental for calculating the useful product fraction in the reformer, fraction of hydrogen oxidized in the SOFC anode channel, electric gross efficiency, anode temperature, exothermic effect of synthesis gas hydrogen oxidation by air oxygen, excess entropy and Gibbs free energy change at standard conditions, SOFC electromotive force (EMF), specific flow rate of standard fuel for heat, and power generation. The simulation study has shown that the hydrogen oxidation products temperature in the SOFC anode channel is 850ºС, electric gross efficiency 61.0%, single fuel cell EMF 0.985 V, fraction of hydrogen oxidized in the SOFC anode channel 64.6%, specific flow rate of standard fuel for power generation 0.16 kg/(kW·h), for heat generation 44.7 kg/GJ. All the specific parameters are in good agreement with other publications results.

когенерационная энергоустановкареакторпаровая конверсия метанасинтез-газпсевдоожиженный слойгранулированный катализатортопливные элементыдоля окисленного водородатеплообменникcogeneration power stationreformersteam methane conversionsyngasfluidized bedgranulated catalystsolid oxide fuel cellspartial oxidation of hydrogenheat exchangerReferencesLykova, S.A. Highly efficient hybrid power generation systems based on fuel cells [Text] / S.A. Lykova // Thermal Engineering. – 2002. – Vol. 49. – No 1. – P. 54–60.Lykova S.A. Highly efficient hybrid power generation systems based on fuel cells. Thermal Engineering, 2002;49(1):54–60 (in Eng.).Sgobbi, A. How far away is hydrogen? Its role in the medium and long-term decarbonisation of the European energy system [Text] / A. Sgobbi [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – No 1. – P. 19–35.Sgobbi A. How far away is hydrogen? Its role in the medium and long-term decarbonisation of the European energy system. International Journal of Hydrogen Energy, 2016;41(1):19–35 (in Eng.).Grigory’ants, R.R. Thermodynamic model and analysis of hybrid power installations built around solidoxide fuel cells and gas-turbine units [Text] / R.R. Grigor'yants [et al.] // Thermal Engineering. – 2008. – Vol. 55. – No 9. – P. 790–794.Grigor'yants R.R. Thermodynamic model and analysis of hybrid power installations built around solidoxide fuel cells and gas-turbine units. Thermal Engineering, 2008;55(9):790–794 (in Eng.).Dubinin, A.M. Experimental and theoretical study of the effectiveness of the production of hydrogen by steam conversion of methane using circulating fluidized bed technology [Text] / A.M. Dubinin [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2016. – Vol. 41. – No 20. – P. 8433–8437.Dubinin A.M. Experimental and theoretical study of the effectiveness of the production of hydrogen by steam conversion of methane using circulating fluidized bed technology. International Journal of Hydrogen Energy, 2016;41(20):8433–8437 (in Eng.).Dubinin, A.M. Modeling the process of producing hydrogen from methane [Text] / A.M. Dubinin, V.G. Tuponogov, I.S. Ikonnikov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2013. – Vol. 47. – No 6. – P. 697–701.Dubinin A.M. Modeling the process of producing hydrogen from methane. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2013;47(6):697–701 (in Eng.).Beznosova, D.S. Prospects for using hybrid power installations on the basis of solid-oxide fuel cells integrated with intracycle coal gasification [Text] / D.S. Beznosova [et al.] // Thermal Engineering. –Beznosova D.S. Prospects for using hybrid power installations on the basis of solid-oxide fuel cells integrated with intracycle coal gasification. Thermal Engineering, 2011;58(9):774–778 (in Eng.).Dubinin, A.M. Determining maximum capacity of an autothermal fluidized-bed gas generator [Text] / A.M. Dubinin, V.G. Tuponogov, D.V. Filippov // Thermal Engineering. – 2009. – Vol. 56. – No 5. – P. 421–425.Dubinin A.M. Determining maximum capacity of an autothermal fluidized-bed gas generator. Thermal Engineering, 2009;56(5):421–425 (in Eng.).Shigarov, A.B. Modeling of membrane reactor for steam methane reforming: From granular to structured catalysts [Text] / A.B. Shigarov, V.A. Kirillov // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2012. – Vol. 46. – No 2. – P. 97–107.Shigarov A.B. Modeling of membrane reactor for steam methane reforming: From granular to structured catalysts. Theoretical Foundations of Chemical Engineering, 2012;46(2):97–107 (in Eng.).Kurganov, V.A. High-Temperature HeatShielding Panels with Thermochemical Cooling Based on the Reaction of Steam Conversion of Methane [Text] / V.A. Kurganov [et al.] // High Temperature. – 2000. – Vol. 38. – No 6. – P. 926–937.Kurganov V.A. High-Temperature HeatShielding Panels with Thermochemical Cooling Based on the Reaction of Steam Conversion of Methane. High Temperature, 2000;38(6):926–937 (in Eng.).Lakhete, P. Modeling process intensified catalytic plate reactor for synthesis gas production [Text] / P. Lakhete, V.M. Janardhanan // Chemical Engineering Science. – 2014. – Vol. 110. – P. 13–19.Lakhete P. Modeling process intensified catalytic plate reactor for synthesis gas production. Chemical Engineering Science, 2014;110:13–19 (in Eng.).Kurteeva, A.A. Single solid-oxide fuel cells with supporting Ni-cermet anode [Text] / A.A. Kurteeva [et al.] // High Temperature. – 2011. – Vol. 47. – No 12. – P. 1381–1388.Kurteeva A.A. Single solid-oxide fuel cells with supporting Ni-cermet anode. High Temperature, 2011;47(12):1381–1388 (in Eng.).Takeguchi, T. Study on steam reforming of CH4 and C2 hydrocarbons and carbon deposition on Ni-YSZ cermets [Text] / T. Takeguchi [et al.] // Journal of Power Sources. – 2002. – Vol. 112. – P. 588–595.Takeguchi T. Study on steam reforming of CH4 and C2 hydrocarbons and carbon deposition on Ni-YSZ cermets. Journal of Power Sources, 2002;112:588–595 (in Eng.).Chen, B. Exergy analysis and CO2 emission evaluation for steam methane reforming [Text] / B. Chen [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – Vol. 37. – No 4. – P. 3191–3200.Chen B. Exergy analysis and CO2 emission evaluation for steam methane reforming. International Journal of Hydrogen Energy, 2012;37(4):3191–3200 (in Eng.).Yan, Y. Properties of thermodynamic equilibrium-based methane autothermal reforming to generate hydrogen [Text] / Y. Yan, J. Zhang, L. Zhang // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – Vol. 38. – No 35. – P. 15744–15750.Yan Y. Properties of thermodynamic equilibrium-based methane autothermal reforming to generate hydrogen. International Journal of Hydrogen Energy, 2013;38(35):15744–15750 (in Eng.).Dubinin, A.M. Mini coal-fired CHP plant on the basis of synthesis gas generator (CO + H2) and electrochemical current generator [Text] / A.M. Dubinin, S.E. Shcheklein // International Journal of Hydrogen Energy. – 2017. – Vol. 42. – No 41. – P. 26048–26058.Dubinin A.M. Mini coal-fired CHP plant on the basis of synthesis gas generator (CO + H2) and electrochemical current generator. International Journal of Hydrogen Energy, 2017;42(41):26048–26058 (in Eng.).Barona, J. Combustion of hydrogen in a bubbling fluidized bed [Text] / J. Barona [et al.] // Combustion and Flame. – 2009. – Vol. 156. – No 5. – P. 975–984.Barona J. Combustion of hydrogen in a bubbling fluidized bed. Combustion and Flame, 2009;156(5):975– 984 (in Eng.).Коровин, Н.А. Топливные элементы и электрохимические установки [Текст] / Н.А. Коровин. – М.: Изд-во МЭИ, 2005. – 145 c.Korovin N.A. Fuel cells and electrochemical plants (Toplivnye elementy i elektrokhimicheskie ustanovki), Moscow: MPEI, 2005, p. 145 (in Russ.).Баскаков, А.П. О механизме паровой газификации угля [Текст] / А.П. Баскаков, А.М. Дубинин, В.Г. Тупоногов // Промышленная энергетика. – 2008. – № 4. – С. 40–42.Baskakov A.P. On mechanism of coal steam gasification (O mekhanizme parovoi gazifikatsii uglya). Industrial Power Engineering, 2008;(4):40–42 (in Russ.).Баскаков, А.П. Физико-химические основы тепловых процессов [Текст] / А.П. Баскаков, Ю.В. Волкова – М.: Теплотехник, 2013. – 173 с.Baskakov A.P. Physics and Chemistry of Thermal Processes (Fiziko-khimicheskie osnovy teplovykh protsessov). Moscow: Teplotehnik, 2013, p.173 (in Russ.).Мунц, В.А. Исследование характеристик энергетической установки 5 кВт на твёрдооксидных топливных элементах с паровым риформингом природного газа [Текст] / В.А. Мунц [др.] // Теплоэнергетика. – 2015. – № 11. – С. 15–20.Munts V.A. Studying the characteristics of a 5 kW power installation on solid-oxide fuel cells with steam reforming of natural gas, Thermal Engineering, 2015;62(11):779–784 (in Eng.).Ivanov, P.P. Thermodynamic modeling of power plants based on solid oxide fuel cells [Text] / P.P. Ivanov // High Temperature. – 2011. – Vol. 49. – No 4. – P. 608–614.Ivanov P.P. Thermodynamic modeling of power plants based on solid oxide fuel cells. High Temperature, 2011;49(4):608–614 (in Eng.).Собянин, В.А. Высокотемпературные твёрдооксидные топливные элементы и конверсия метана [Текст] / В.А. Собянин // Российский Химический Журнал (Журнал Российского химического общества им. Д. И. Менделеева). – 2003. – Т. 47. – № 6. – С. 62–70.Sobyanin V.A. High temperature solid oxide fuel cells and methane conversion (Vysokotemperaturnye tverdooksidnye toplivnye elementy i konversiya metana). Russian Journal of General Chemistry, 2003;47(6):62–70 (in Russ.).Peters, R. Analysis of solid oxide fuel cell system concepts with anode recycling [Text] / R. Peters [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. – 2013. – No 38. – P. 6809–6820.Peters R. Analysis of solid oxide fuel cell system concepts with anode recycling, International Journal of Hydrogen Energy. 2013;(38):6809–6820 (in Eng.).Korovin, N.V. Calculating the efficiency of a hybrid power station employing a high-temperature fuel cell [Text] / N.V. Korovin [et al.] // Thermal Engineering. – 2007. – Vol. 54. – No 2. – P. 137–141.Korovin N.V. Calculating the efficiency of a hybrid power station employing a high-temperature fuel cell, Thermal Engineering, 2007;54(2):137–141 (in Eng.).Baskakov, A.P. Optimum chemical regeneration of the gases burnt in solid oxide fuel cells [Text] / A.P. Baskakov, J.V. Volkova, N.S. Plotnikov // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2014. – Vol. 87 – No 4. – P. 763–772.Baskakov A.P. Optimum chemical regeneration of the gases burnt in solid oxide fuel cells. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 2014;87(4):763–772 (in Eng.).Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев. – М.: «Новости теплоснабжения». – 2008. – С. 448.Yakovlev B.V. Increase in efficiency of central heating and heat supply systems (Povyshenie effektivnosti sistem teplofikatsii i teplosnabzheniya). Moscow: Novosti teplosnabzheniya, 2008, p.448 (in Russ.).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.