Воздушная конверсия продуктов пиролиза углеводородного сырья в синтез-газ (H2+CO) для производства электрической энергии с помощью твердооксидных топливных элементов

В работе рассмотрен вариант среднетемпературной модульной пиролизной установки с использованием для энергетического производства пиролизной жидкости с использованием предварительной воздушной конверсии пиролизной жидкости в синтез-газ, с последующей подачей его в батарею электрохимического генератора. Электрическая мощность установки 100 кВт, сетевого подогревателя 126 кВт. Методами физико-химического моделирования и составления энергетических балансов определены основные энергетические характеристики установки. Показано, что удельный расход пиролизной жидкости на производство электрической энергии 108 гр/кВт∙ч (169 гр у.т./(кВт∙ч)), а тепловой 30 кг/ГДж (197 кг у.т./Гкал). Коэффициент использования топлива 46,4%.
Удельные расходы натурального и условного топлива данной установки несколько выше удельных расходов топлива на электрических станциях, работающих на углеводородных природных топливах, но, в тоже время, существенно ниже, чем у автономных дизель-электрических станций. Даны рекомендации по использованию пиролизной жидкости для выработки электрической и тепловой энергии с использованием высокотемпературного топливного элемента на базе ТОТЭ.

1. . Kozlov V.N, Nimvitsky A.A, Pyrogenetic technology of wood processing, Goslesbumizdat, 1954-620 p.

2. . J.M Heikkinen, J.C.Hordijk W.De Jonq H.Splithoff,‘‘ Thermoqravimetry as a tool to classify waste components to use for enerqy’’, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 2004. V.71.P883-900.

3. . W.R.Hiessen, N.Y, Basel, Combustion and incineration process: applications in environmental enqineerinq 3rd ed.. reversed and expanded , Marcel:Dakker Inc..2002.

4. . A.Matveev. A.Dubinin. S.Shcheklein.‘‘ Steam gasification of waste for purpose of methanol productin’’ 18th Internationae Muetidiscipeinary Seientific Geo Conference 2018. Section Recyceind. 2Juey-8Juey 2018 Albena-Bulgaria.

5. . Green S.‘‘ Waste to energy’’ Power Eng. J., 2002.Jan.P.21-23.W.

6. . Sorokin V.A., Yanovsky L.S., Kozlov V.A ‘‘Ram rocket engines on solid and paste-like propellants’’ M: Fizmatlit, 2010, 318 p.

7. . Shcheklein S.E., Dubinin A.M.‘‘ Solid wastes conversion into electric and thermal energy using a gasifier and an electrochemical generator’’ WIT Transactions on Ecology and the Environment. 2017. Т. 224. С. 451-46.

8. . Minsk, Handbook of heat power engineering of electric plants. Publisher Belarus. 1974.

9. . Nagaraja, Shashank S. Sahu, Amrit B. Panigrahy, Snehasish, Curran, Henry J. ‘‘A fundamental study on the pyrolysis of hydrocarbons’’ Combustion and Flame, vol. 233, Nov.2021.

10. . Wang, Yunpu, Yang, Qi, Yang, Qi, Liu, Yuhuan ..etc, Review on the catalytic pyrolysis of waste oil for the production of renewable hydrocarbon fuels, Elsevier Ltd, 2021.

11. . Ratnasari, Devy K. Nahil, Mohamad A. Williams, Paul T. ‘‘Catalytic pyrolysis of waste plastics using staged catalysis for production of gasoline range hydrocarbon oils ’’Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, vol. 124, pp. 631-637, Mar.2017.

12. . Chiaramonti, David, Buffi, Marco, Rizzo, Andrea Maria, Prussi, Matteo, Martelli, Francesco, ‘‘Bio-hydrocarbons through catalytic pyrolysis of used cooking oils: Towards sustainable jet and road fuels’’ Energy Procedia, 2015.

13. . Zhao, Dongting, Wang, Xianhua, Miller, James B. Huber, George W. ‘‘The Chemistry and Kinetics of Polyethylene Pyrolysis: A Process to Produce Fuels and Chemicals ’’Journal of ChemSusChem , vol. 13 , 2020.

14. . Pal, Shashank , Pal, Shashank , Sharma, Amit Kumar , Ghodke, Praveen Kumar , Pandey, Shyam , Patel, Alok ‘‘Recent Advances in Catalytic Pyrolysis of Municipal Plastic Waste for the Production of Hydrocarbon Fuels ’’Processes 2022 .

15. . Xu J, Long F, Jiang J, Li F, Zhai Q, Wang F, et al. Integrated catalytic conversion of waste triglycerides to liquid hydrocarbons for aviation biofuels. J Cleaner Prod.

16. . Gelfand I, Sahajpal R, Zhang X, Izaurralde RC, Gross KL, Robertson GP. Sustainable bioenergy production from marginal lands in the US Midwest. Nature 2013; 493:.

17. . Snowdon R, Friedt W. European biodiesel can be sustainable. Nature 2012;490. 37-[18]. Yu Z, Wang Y, Jiang L, Dai L, Liu Y, Ruan R, et al. Microwave-assisted catalytic pyrolysis of Chinese tallow kernel oil for aromatic production in a downdraft reactor. J Anal Appl Pyrol 2018;133:16–21.

18. . Pyrolysis coupled with microwave-absorbent of soapstock for bio-oil in a downdraft reactor. Energy Convers Manage 2019;185:11–20.

19. . Yu Z, Wang Y, Jiang L, Dai L, Liu Y, Ruan R, et al. Conversion of woody oil into bio- oil in a downdraft reactor using a novel silicon carbide foam supported MCM41 composite catalyst. RSC Adv 2019;9:19729–39.

20. . Wang F, Xu J, Jiang J, Liu P, Li F, Ye J, et al. Hydrotreatment of vegetable oil for green diesel over activated carbon supported molybdenum carbide catalyst. Fuel, 2018, Vol. 216, pp. 738-746.

21. . Lam SS, Wan M ahari WA, Jusoh A, Chong CT, Lee CL, Chase HA. Pyrolysis using microwave absorbents as reaction bed: An improved approach to transform used frying oil into biofuel product with desirable properties. J Cleaner Prod 2017;147:

22. . Xu L, Cheng J-H, Liu P, Wang Q, Xu Z-X, Liu Q, et al. Production of bio-fuel oil from pyrolysis of plant acidified oil. Renewable Energy 2019;130:910–9.

23. . Wiggers V R, Beims R F, Ender L. Renewable Hydrocarbons from Triglyceride’s Thermal Cracking. Frontiers in Bioenergy and Biofuels 2017.

24. . Zakera A, Chen Z, Wang X, Zhang Q. Microwave-assisted pyrolysis of sewage sludge: A review. Fuel Process Technol 2019;187:84–104.

25. . Luque R, Menendez JA, Arenillas A, Cot J. Microwave-assisted pyrolysis of biomass feedstocks: the way forward? Energy Environ Sci 2012;5:5481–8. 25–9.

26. . Wang X, Morrison W, Du Z. Biomass temperature profile development and its implications under the microwave-assisted pyrolysis condition. ApEn 2012;99: 386–92.

27. . Zhang Y, Chen P, Liu S , Peng P , Min M, Cheng Y, et al. Effects of feedstock characteristics on microwave-assisted pyrolysis – A review. Bioresour Technol.

28. . Borges FC, Xie Q, Min M, Muniz LAR, Farenzena M, Trierweiler JO, et al. Fast microwave-assisted pyrolysis of microalgae using microwave absorbent and HZSM- 5 catalyst. Bioresour Technol 2014;166:518–26.

29. . Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику. М.: Энергоатомиздат. 1984.

30. . Pilar Lisbona, Luis M., Romeo Enhanced. Coal gasification heated by unmixed combustion integreated with an hybrid system of SOFC/GT // International Journal of Hydrogen Energy. Volume 33, Issue 20, October 2008. P. 5755-5764.

31. . Promes E.J., Woudstra T., Schoenmakers L., Oldenbroek V., Thallam Thattai A., Aravind P.V. Thermodynamic evaluation and experimental validation of 253 MW Integrated Coal Gasification Combined Cycle power plant in Buggenum, Netherlands // Applied Energy, Volume 155, 1 October 2015. P. 181-194.

32. . Солодова Н.Л., Черкасова Е.И., Салахов И.И., Тутубалина О.П. Водород - энергоноситель и реагент. Технологии его получения // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2017. Т. 19. № 11-12. с. 39-50.

33. . Филимонова А.А., Чичирков А.А., Чичиркова Н.Д., Филимонов А.Г., Печенкин А.В. Перспективы развития водородной энергетики в Татарстане // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.2020 т. 22 № 6, с. 79-91.

34. . Дубинин А.М., Щеклеин С.Е. Угольная мини-ТЭЦ на основе газогенератора и электрохимического генератора // Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2017. № 7-9 (219-221) с. 60-74.

35. . Dubinin A., Matveev A., Shcheklein S., Filippenko V. Study of car tire pyrolysis in an industrialscale olant with subsequent chemical analysis of the pyrolysis liquid. 20th international multidisciplinary scientific geoconference SCGEM 2020. 18-24 August 2020 / Albena, Bulgaria.

36. . Баскаков А.П. Перспективы сжигания твердых бытовых отходов в России в целях получения тепла и электроэнергии. Теплоэнергетика, 2014 №4 c. 21-29

37. . Баскаков А.П. Нагрев и охлаждение металлов в кипящем слое. М.: Металлургия. 1974. 272 с.

38. . Карапетьянц М.Х. Химическая термодинамика. М.: Химия. 1975.

39. . Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ. М. Химия 1968. 470 с.

40. . Коровин Н.А. Топливные элементы и электрохимические установки. М. Издательство МЭИ. 2005. 145 с.

41. . Баскаков А.П., Дубинин А.М., Тупоногов В.Г. О механизме паровой газификации угля // Промышленная энергетика. 2008. №4. с. 40-42.

42. . Мунц В.А., Волкова Ю.В., Плотников Н.С., Дубинин А.М., Тупоногов В.Г., Чернышов В.А. Исследование характеристик энергетической установки 5 кВт на твердооксидных топливных элементах с паровым риформингом природного газа // Теплоэнергетика. 2005. №11 с 15-20.

43. . Баскаков А.П., Волкова Ю.В. Физико-химические основы тепловых процессов. М.: Теплотехник. 2013. 173 с.

44. . Zhao Yingru, Sadhu Khan Juma, Lanzini Andrea, Brandon Nigel, Shah Nilay. Optimal integration stratigies for a syngasfuelled SOFC and gas turbine hybrid // Journal of Power Sources, Volume 196, Issue 22, 15 November 2011, p. 9516-9527.

45. . Королев В.Н., Толмачев Е.М. Техническая термодинамика: Учебное пособие / В.Н. Королев, Е.М. Толмачев. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 2001. 180 с.

46. . Яковлев Б.В. Повышение эффективности систем теплофикации и теплоснабжения / Б.В. Яковлев - М.: Новости теплоснабжения. 2008. 448 с.

47. . Справочное пособие теплоэнергетика электрических станций. Минск "Беларусь". 1974. 368 с.

48. . Промышленные тепловые электростанции: учебник для вузов / Баженов М.И., Богородский А.С., Сазанов Б.В., Юренев В.Н.; под редакцией Е.Я. Соколова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергия. 1979. 269 с.

49. . Matveev A.V., Shcheklein S.E., Dubinin A.M., Mohammed A. Qasim, Filippenkov V.A. Electricity production from hydrocarbon pyrolysis products// Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология. 2023. № 4 (409) с. 94-103.