Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Декарбонизованный процесс производства энергии из газовых отходов нефтепереработки в гибридной энергосистеме с высокотемпературным топливным элементом (заключительный)

Ежегодно в результате бытовой, сельскохозяйственной и промышленной деятельности человека по всему миру производится масса твёрдых, жидких и газообразных отходов, их общий вес насчитывает миллионы тонн. Однако, необходимо эффективное управление и контроль за формированием, захоронением и утилизацией таких отходов на уровне государства с целью предотвращения значимых последствий для экологии и главным образом здоровья человека. В то же время по всему миру ежедневно сжигается огромное количество угля, нефти и природного газа для выработки тепловой и электроэнергии. Потребление ископаемых видов топлива не только истощает ограниченные природные ресурсы, но и является главным источником загрязнения окружающей среды. Поэтому академическое сообщество продолжает активно искать альтернативные и возобновляемые источники энергии, а также экологически безопасные способы утилизации отходов. Возможно решение этих двух проблем путем разработки и внедрения технологий, позволяющих использовать отходы в циклах производства чистой возобновляемой энергии. Утилизацию отходов с помощью технологий, не загрязняющих окружающую среду, для достижения устойчивого развития общества можно отнести к приоритетным направлениям развития науки и техники в России и во всем мире. Интерес к использованию газообразных отходов нефтепереработки в качестве топлива в значительной степени обусловлен высоким содержанием метана и других углеводородов, водорода, высокой теплотворной способностью, непрерывностью производства, относительно низкой стоимостью сырья и увеличением ресурсного потенциала (из-за роста спроса и населения), необходимостью улучшения экологии и переработки отходов. Важно отметить, что использование газообразных отходов, содержащих водородсодержащие углеводороды, в качестве топлива требует предварительной очистки от сернистых соединений. Это связано с тем, что сернистые соединения усиливают коррозионные процессы и способствуют образованию отложений на поверхностях энергетического оборудования. Кроме того, при сжигании возникают сернистые оксиды (SOx), которые негативно влияют на окружающую среду. Развитие политики декарбонизации является новым направлением в достижении экономических и экологических целей энергетического производства. Переход на водородное топливо и водородсодержащие газы позволит увеличить полноту преобразования энергетического ресурса в ценные продукты. Наиболее перспективным решение является использование водородсодержащих газов нефтеперерабатывающих предприятий, но учитывая их переменный количественный и качественный состав необходимо организовывать очистку от негорючих компонентов, таких как углекислый газ. Водородсодержащие газы после НПЗ (нефтеперерабатывающий завод), образованные в результате термических и каталитических процессов переработки нефти, могут быть сырьем для твердооксидных топливных элементов после предварительной очистки. Использование водородсодержащих газов НПЗ экономически выгодно для предприятия, так как увеличивается не только коэффициент полезного использования сырья, но и производится выработка электрической энергии. Ранее сотни тысяч тонн водородсодержаших газов НПЗ бесполезно сжигались на факельных установках, загрязняли окружающую среду и приносили только убытки предприятию. В настоящем исследовании решением по утилизации отходов нефтепереработки является разработка и создание гибридной системы с твердооксидным топливным элементом (ТОТЭ) и газовой турбиной (ГТ) в составе. Гибридная система ТОТЭ-ГТ является многообещающей технологией для выработки электроэнергии. Она сочетает в себе высокую эффективность ТОТЭ с гибкостью и надежностью ГТ. Эта система обладает потенциалом для обеспечения экологически чистой и эффективной выработки электроэнергии для различных применений. Гибридные системы ТОТЭ-ГТ имеют широкий спектр применений в различных отраслях промышленности. Кроме того, они могут использоваться в распределенной выработке электроэнергии для промышленных и коммерческих объектов. Высокая эффективность и низкие выбросы систем ТОТЭ-ГТ делают их привлекательным вариантом для производства энергии в экологически чувствительных районах. В будущем все энергетические системы должны быть гибридными и представлять собой комбинацию различных энергетических ресурсов и методов преобразования энергии, работающих как единая система с оптимальной эффективностью и минимальным воздействием на окружающую среду. Эта система будет устойчивой и экологически чистой. Кроме того, внедрение гибридных систем окажет значительное положительное влияние на страны с большими запасами ископаемого топлива, поскольку эти ресурсы имеют высокую ценность и могут быть переработаны в различные химические вещества и материалы с большей пользой, чем их использование для производства тепла. Основной целью заключительного этапа работы является разработка технологии и опытно-промышленного образца гибридной электрохимической-механической энергоустановки с декарбонизированным процессом получения электроэнергии из водородсодержащих газообразных отходов. Согласно плану мероприятий по проведению исследований и дальнейшему использованию полученных результатов лаборатории «Декарбонизованный процесс производства энергии из газовых отходов нефтепереработки в гибридной энергосистеме с высокотемпературным топливным элементом» на этапе, реализуемом в 2024 году, проводились следующие виды научно-исследовательских работ: Работы, реализуемые получателем субсидии: 3.1 Разработка теоретической модели гибридной электрохимической-механической установки, ее элементного состава, архитектуры и моделирование принципов работы. 3.2 Разработка технологии утилизации газообразных водородсодержащих отходов нефтеперерабатывающих и химических предприятий для выработки электроэнергии в водородно-электрохимическом процессе. 3.3 Разработка конструкции и создание опытно-промышленного образца гибридной энергоустановки получения электроэнергии из газообразных отходов промышленных предприятий в водородно-электрохимическом цикле. 3.4 Разработка технических решений по устройству, конструкции и эффективному применению систем внутреннего или внешнего реформинга для утилизации газообразных водородсодержащих отходов промышленных предприятий. 3.5 Разработка технических решений по декарбонизации производства тепловой и электроэнергии на тепловой электрической станции и использованию теплоты уходящих газов за счет включения в общую производственную схему технологии переработки газовых выбросов и дополнительного улавливания углекислого газа в гибридной электрохимической-механической энергоустановке. 3.6 Работы, реализуемые с индустриальным партнером: Опытно-промышленные испытания разработанных и некоторых торговых адсорбентов по очистке топливного газа от соединений серы с использованием предоставленных индустриальным партнером эксплуатационных материалов (топливо, масла, фильтры и т.д.). Тестовые испытания, изучение и отладка режимов эксплуатации высокотемпературного твердооксидного топливного элемента на природном газе для безаварийной и эффективной работы. Результаты проделанной работы направлены на создание новых энерготехнологических решений 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.