Разработка научно-технических основ каталитической конверсии дизельного топлива в водородсодержащий газ и водород для целей водородной энергетики и повышения экологичности транспортных средств

Разработаны методики приготовления катализаторов конверсии дизельного топлива (ДТ) в вариантах нанесения активного компонента на различные материалы: сетчатые, металлопористые, высокопористые пеноячеистые материалы (ВПЯМ) и традиционные пористые носители. В качестве катализаторов предриформинга испытаны новые композиции катализаторов на базе соединений марганца и кобальта Co - Mn/-Al₂O₃, Co - MnO/-AlAl₂O₃, Co - Mn/MgAl₂O₄, а также ВПЯМ. Сравнительные испытания катализаторов, проведенные при температуре 630 - 640°С, мольном соотношении H₂O/C = 2, GHSV = 10200 ч⁻¹ в течение 500 ч в реакции паровой конверсии продуктов предриформинга, показали, что катализаторы обеспечивают конверсию метана вблизи термодинамического равновесия. Предложены варианты конструкций радиально симметричных модулей мембранного риформера, в котором отделение водорода совмещено с конверсией продуктов предриформинга ДТ. Мембранный модуль представляет собой конструкцию, в которой Pd - Ag-мембрана в виде фольги толщиной 50 мкм находится между двумя каталитически активными дисками, являющимися элементами конструкции мембранного риформера. Для модуля I типа принята схема с последовательным обтеканием дисковой мембраны реакционной смесью, для модуля II типа – схема с параллельным обтеканием дисковой мембраны реакционной смесью. Проведен цикл экспериментальных исследований проницаемости мембраны при температурах 600 – 640°С и избыточном давлении до 12 атм. Результаты экспериментов и численный анализ производительности по водороду показали, что модуль II типа имеет большую примерно на 7 - 10% производительность по Н₂ по сравнению с модулем I типа. Предложена двухступенчатая схема сжигания углеводородного топлива, в которой на 1-й ступени осуществляются каталитическое парциальное окисление примерно 15% основного топлива в синтез-газ и гомогенное сжигание полученной смеси СГ и метана в камере сгорания ГТУ/ДВС. Проведенные эксперименты показали, что переход на использование добавок синтез-газа в природный газ в виде метановодородной смеси, подаваемой в ГТУ/ДВС, является наиболее эффективным техническим решением снижения эмиссии вредных выбросов. Разработан вариант мембранного риформера, состоящего из 32 модулей предложенной конструкции общей производительностью по Н₂ 600 г/ч. Модули интегрированы по вариантам их параллельного и последовательного расположения по ходу течения конверсионного и дымового газов. Проведен численный анализ вариантов схем, из результатов которого следует, что схема с последовательной раздачей потоков по трактам реагентов и дымовых газов является лучшим вариантом с точки зрения однородности температуры разных модулей внутри секции и по достигнутой производительности по Н₂ 632 г/ч. Выполнена оценка эффективности возможной энергоустановки с использованием мембранного риформера и батареи низкотемпературных протонпроводящих топливных элементов: для расхода ДТ 1,2 кг/ч тепловая эффективность риформера – 86%, электрическая эффективность энергоустановки в целом – 36%.