Отчет о научно-исследовательской работе по теме: "Изучение процессов в гибридной энергетической установке топливный элемент-газовая турбина" (промежуточный, этап 1)

Проблемы климата, экологии, перераспределения топливных ресурсов, политики и экономики заставляют исследователей и производителей искать альтернативные экологически чистые, эффективные и ресурсосберегающие способы производства электрической и тепловой энергии. Эта задача является серьезным вызовом как для академических, так и для отраслевых исследователей на протяжении многих лет. Пересмотр структуры спроса на энергоресурсы со смещением акцента на использование альтернативной энергетики требует формирования новой энергетической системы, основанной на новейших достижениях науки, техники и технологий. Согласно распоряжению правительства Российской Федерации от 12 октября 2020 г № 2634-р планируется «осуществление комплекса мероприятий, направленных на успешную реализацию проектов в области водородной энергетики в Российской Федерации, поддержку научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по приоритетным направлениям развития такой энергетики с целью последующего внедрения результатов, а также на совершенствование нормативно-правового регулирования и соответствующих механизмов государственного стимулирования». При прямом сжигании водород трудноуправляемый и взрывоопасный газ, поэтому получать энергию из водородного топлива предпочтительнее с помощью электрохимического преобразования в топливном элементе. На сегодняшний день наиболее энергоэффективным способом использования водородного топлива являются гибридные установки, оснащенные кроме электрохимического еще и механическим генератором, сочетающие работу твердоксидного топливного элемента с газовой турбиной. В базовой концепции топливный элемент заменяет камеру сгорания цикла Брайтона газотурбинного двигателя. Но вместо классического горения и последующего преобразования механической энергии в электрическую, здесь происходит прямое электрохимическое получение электроэнергии, а образующееся в этом процессе тепло используется для вращения турбогенератора, вырабатывающего дополнительно примерно 20 % общей электрической мощности установки. При этом в сравнении с работой только газовой турбины в моноварианте значительно снижаются выбросы вредных веществ и увеличивается общий КПД. В такой связке электрический КПД может достигать 60 % и выше. В качестве топлива для твердооксидного топливного элемента может использоваться не только чистый водород, но и различное водородсодержащее сыре, например, природный газ, аммиак, метанол, отходы нефтеперерабатывающих заводов, биогаз. Важным преимуществом кроме высокого общего КПД является возможность утилизации водородсодержащих газов (отходов) вместо сжигания в атмосфере. Для обеспечения максимально декарбонизованного цикла гибридные установки оснащаются технологиями дополнительного улавливания выделяющегося углекислого газа. Идея использования гибридной системы наиболее актуальна для индустриально-энергетических комплексов – тепловая электрическая станция-нефтехимическое предприятие. На нефтеперерабатывающих заводах или химических предприятиях с водородным производством одним из отходов являются водородсодержащие газы, которые можно использовать в качестве топливной смеси в гибридной установке. В республике Татарстан действует несколько установок по производству водорода в процессах нефтепереработки (АО «ТАНЕКО», АО «ТАИФ-НК») и производства химических продуктов (ПАО «Нижнекамскнефтехим», ПАО «Казаньоргсинтез», АО «Аммоний», АО «Нэфис Косметикс»). Основными областями применения водорода в республике являются очистка моторных топлив, процессы гидрирования (гидрогенизация) углеводородов и использование в системах охлаждения электротурбогенераторов ТЭЦ. На всех этих предприятиях образуются водородсодержащие газообразные отходы. Объемное содержание водорода в газообразных отходах достигает 63%. На данный момент водородсодержащие отходы дожигаются в факелах, либо подмешиваются к природному газу в малом количестве (2-10%) и сжигаются в газовых турбинах. Актуальным представляется использовать эту углеводородсодержащую газовую смесь для выработки электроэнергии в гибридной энергоустановке с топливным элементом. Важным преимуществом такого способа утилизации кроме высокого общего КПД является декарбонизация процесса энергопроизводства. Основной целью 1 этапа работы является анализ перспектив использования гибридной установки топливный элемент-газовая турбина для экологичной и высокоэффективной утилизации водородсодержащих отходов заводов нефтепереработки и нефтехимического органического синтеза Республики Татарстан для получения тепловой и электрической энергии. В соответствии с техническим заданием в рамках 1-го этапа выполнены следующие работы: - проведен аналитический обзор по архитектуре, численным методам моделирования гибридных энергоустановок, устройству систем риформинга топлива в твердооксидном топливном элементе, способам декарбонизации процесса энергопроизводства гибридных электрохимических-механических энергоустановок; - выполнены патентные исследования технического уровня в области разработки технологий и аппаратов для изучения процессов в гибридной энергетической установке топливный элемент - газовая турбина; - выделены основные факторы и их механизмы влияния на эмиссию углекислого газа при работе гибридной электрохимической-механической установки; - по результатам проведенных экспериментальных исследований получен качественный и количественный состав газообразных отходов нефтехимических производств для питания гибридной энергоустановки с топливным элементом. - по результатам проведенных экспериментальных исследований по улавливанию выделяющегося углекислого газа с применением физико-химических методов анализа на предоставленной индустриальным партнером экспериментальной площадке определены адсорбенты и абсорбенты, обладающие лучшей улавливающей способностью. Результаты проделанной работы направлены на создание технологии экологичного и высокоэффективного производства тепловой и электроэнергии при утилизации газообразных отходов нефтехимических производств. Обозначенные ожидаемые результаты будут являться решением наиболее актуальных на сегодняшний день экологических проблем, связанных с декарбонизацией промышленности.