Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

МИНИ-ТЭЦ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА И КОНВЕРТОРА МЕТАНА С ЗАТОРМОЖЕННЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ

https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.19-21.095-105

Полный текст:

Аннотация

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.

 

Об авторах

А. М. Дубинин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»


С. Е. Щеклеин
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возоб- новляемые источники энергии»


В. Г. Тупоногов
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
д-р техн. наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика и теплотехника»


М. И. Ершов
Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина
Россия
магистрант


Список литературы

1. Lykova, 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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. –

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Коровин, Н.А. Топливные элементы и электрохимические установки [Текст] / Н.А. Коровин. – М.: Изд-во МЭИ, 2005. – 145 c.

18. 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.

19. Баскаков, А.П. Физико-химические основы тепловых процессов [Текст] / А.П. Баскаков, Ю.В. Волкова – М.: Теплотехник, 2013. – 173 с.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. Яковлев, Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев. – М.: «Новости теплоснабжения». – 2008. – С. 448.


Для цитирования:


Дубинин А.М., Щеклеин С.Е., Тупоногов В.Г., Ершов М.И. МИНИ-ТЭЦ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА И КОНВЕРТОРА МЕТАНА С ЗАТОРМОЖЕННЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2017;(19-21):95-105. https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.19-21.095-105

For citation:


Dubinin A.M., Sheklein S.E., Tuponogov V.G., Ershov M.I. MINI CHP BASED ON THE ELECTROCHEMICAL GENERATOR AND IMPEDED FLUIDIZED BED REACTOR FOR METHANE STEAM REFORMING. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2017;(19-21):95-105. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.19-21.095-105

Просмотров: 198


ISSN 1608-8298 (Print)