Декарбонизованный процесс производства энергии из газовых отходов нефтепереработки в гибридной энергосистеме с высокотемпературным топливным элементом

Энергетические технологии на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) – это одно из перспективных направлений развития малой энергетики, обеспечивающее высокую эффективность и экологичность. Работая при высокой температуре (600-1000 °С), твердооксидный топливный элемент не нуждается в катализаторах из благородных металлов и, таким образом, является более доступным. Высокие температуры облегчают прямой реформинг углеводородов в ТОТЭ, что допускает гибкий выбор топлива. Высокотемпературное отходящее тепло может быть эффективно рекуперировано для приведения в действие интегрированного газотурбинного электрогенератора. Объединение двух различных систем повышает эффективность (к.п.д.) в сравнении с автономными микротурбинами текущего поколения от 25-30 % до значений, близких к 60-65 %. За счет высокого давления и температуры рекуперированного нагретого технологического воздуха, подаваемого компрессором от газовой урбины на топливный элемент, происходит увеличение его выходной мощности, снижение различных электрохимических потерь. В первую очередь улучшение электрохимической кинетики, приводит к повышению эффективности процесса (рабочий ток, напряжение элемента, выходная мощность и эффективность логарифмически возрастают с давлением). Тем не менее, топливный элемент не является аналогом камеры сгорания, поэтому соединение микротурбины с топливным элементом представляется довольно сложной задачей, связанной с дополнительными ограничениями в проектировании и конструктивными особенностями, возникающими при объединении электрохимической и механической систем. Численное моделирование работы ТОТЭ – наиболее эффективный в настоящее время инструмент для понимания мультифизических явлений, происходящие в топливной ячейке, помогающий изучить производительность ТОТЭ, быстро, эффективно и с минимальными затратами спроектировать различные его компоненты. После представления численного решения для модели ТОТЭ возможен переход к разработке экспериментальных установок для проверки предлагаемых конструкций и технологий. 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 органическую водородсодержащую газовую смесь для выработки электроэнергии в гибридной энергоустановке с топливным элементом. Наиболее важной проблемой, на решение которой направлен проект, является создание цифровых моделей электрохимических и тепломассообменных процессов в гибридной энергоустановке топливный элемент-газовая турбина с последующей разработкой на основе расчетов по цифровой модели технологий и установок экологичной и высокоэффективной утилизации водородосодержащих отходов предприятий нефтепереработки и химкомбинатов, содержащих углеводороды, оксиды углерода и водород, т.е. топливную смесь, пригодную для электрохимических превращений в топливном элементе с предварительным реформингом с получением электроэнергии с КПД более 60%. Решение обозначенных проблем обладает фундаментальной научной значимостью и мировой научной новизной.