КОГЕНЕРАЦИОННАЯ УСТАНОВКА, РАБОТАЮЩАЯ НА ПРОДУКТАХ ДЕГИДРИРОВАНИЯ ЭТАНОЛА

Известны электрохимические генераторы, в которых синтез-газ получают в каталитических реакторах воздушной конверсией бородинского угля

Целью данной работы является создание топливного элемента для когенерационной энергетической установки, работающего на продуктах дегидрирования этанола без высокотемпературных каталитических реакторов. Этанол на медном катализаторе в результате эндотермической реакции подвергается дегидрированию (отщепление водорода от этанола). Водород, используется для выработки электрической энергии, а окись этилена – для выработки тепловой энергии с целью снабжения потребителей.

В камеру – 1 подаётся из бака этанол. Анод -2- пористая из графитовой керамики пластина, левая сторона которой покрыта медным, а правая – платиновым катализатором. Этанол, попадая на медный катализатор, подвергается дегидрированию с образованием окси этилена в газообразном состоянии и водорода по реакции

 Cu, t

(1)

Реакция (1) эндотермическая. Теплота передается из камеры 6 теплопроводностью.

 Теплота реакции:

где , – теплоты образования веществ, кДж/кмоль

- молекулярная масса окиси этилена, равна 44 кг/ кмоль.

Истинная удельная изобарная теплоёмкость продуктов реакции (1) Cp=2,235 кДж(К∙кг этанола)

Окись этилена из камеры-1 направляется в водогрейный котёл -9, а водород, благодаря разности концентраций слева и справа анода, фильтруется через платиновый катализатор, где молекула водорода расщепляется на два протона 2H+ c образованием двух электронов 2е- по эндотермической реакции:

(2)

Теплота реакции:

Рисунок 1 - Принципиальная схема энергетической установки:

1 – камера с этанолом; 2 – анод; 3 – инвертор; 4 – протонообменная мембрана; 5 – катод; 6 – камера окисления водорода; 7 – вентилятор; 8 – дымосос; 9 – водогрейный котел; I – ввод этанола; II – ввод окиси этилена; III – ввод воздуха; IV – вывод продуктов окисления водорода; V – вывод электрической энергии; VI – ввод сетевой воды; VII –вывод горячей сетевой воды ; VIII – выход продуктов окисления

DOI:10.23670/IRJ.2023.130.28.1

Два электрона из анода поступают во внешнюю цепь электрической нагрузки, откуда поступают в катод.

Катод – пористая из графитовой керамики пластина.

Между анодом 2 и катодом 5 расположена протонообменная мембрана 4 (см.рис), которая пропускает через себя только протоны водорода H+. Протоны водорода соединяются с электронами, пришедшими к катоду от внешней нагрузки и превращаются в молекулы водорода по экзотермической реакции

(3)

Теплота реакции:

Реакции (2) и (3) уравновешиваются по теплоте.

Молекулы водорода из катода попадают в камеру 6, где окисляются подаваемым туда воздухом с коэффициентом избытка α=1,25 по стехиометрическому уравнению экзотермической реакции.

(4)

Тепловой эффект реакции (4)

Температура топливного элемента, состоящего из анода, протонообменной мембраны и катода, находится из уравнения теплового баланса. Учитываются тепловые потери q5=0,2 в окружающую среду.

(5)

Члены в уравнении (5) приводятся к одной массе продуктов реакции (4).

Из последнего уравнения находится температура системы, состоящей из анода, мембраны и катода.

Она равна 87 градусов C, (360K).

Расход водорода для обеспечения электрической мощности Qэ=5кВт находится из литературы

(6)

где

(где 1- один кмоль воды в уравнении

- изменение энергии Гиббса при температуре (360K).

КПД топливного элемента ЭХГ по производству электроэнергии, o/e (%)

(7)

В соответствии с уравнением (1) для производства водорода

потребуется ввести этанола, кг/с:

(8)

а выход окси этилена, кг/с.

(9)

Теплота окисления этанола определяется из стехиометрического уравнения (коэффициент избытка воздуха α=1,25)

(10)

где , , – теплоты образования этих веществ

Для окисления водорода при избытке расхода воздуха α=1,25 определяется из уравнения, кг/с.

(11)

(12)

Для окисления окиси этилена при избытке расхода воздуха α=1,25 определяется из уравнения, кг/с.

(13)

(14)

В реакции (4) от окисления водорода, кг/с.

(16)

Мощность, приходящая в водогрейный котёл, кВт.

(17)

где I кДж/кг – энтальпия насыщенного пара этанола, 1123 кДж/кг

 Расход уходящих газов из водогрейного котла, кг/с.

(18)

Удельная истинная теплоёмкость продуктов окисления окиси этилена в водогрейном котле CУХ=1,39 кДж/(К∙кг продуктов окисления реакции (13)).

Температура продуктов окисления в водогрейном котле, оС.

(19)

Мощность сетевого подогревателя , кВт.

(20)

tyx=120оС- температура уходящих газов из водогрейного котла.

Потери с уходящими газами, кВт:

(21)

Энергетические показатели установки.

Коэффициент использования топлива

(22)

Удельный расход условного топлива на производство электрической энергии, кг у.т./кВт.ч.

(23)

Удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии, кг у.т./ГДж.

(24)

Выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении, кВт∙ч/ГДж.

(25)

Удельные показатели сравниваются с данными

(26)

Материальный баланс сходится.

Баланс мощности энергоустановки, кВт.

(27)

Результаты расчётных исследований (см.таблицу).

1. Благодаря эффекту дегидрирования этанола на медном катализаторе, удалось уйти от применения высокотемпературных каталитических реакторов, необходимых для производства синтез-газа, в этанольных ЭХГ.

2. Удельный расход условного топлива на выработку электрической энергии – 0,131 кг у.т./кВт∙ч, тепловой энергии – 93 кг у.т./ГДж, выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении – 145 кВт∙ч/ГДж.

3. Удельные энергетические показатели этанольной когенерационной установки немного уступают аналогичным показателем когенерационных паросиловых установок – 0,158 кг у.т./кВт∙ч; 41кг у.т./ГДж; 190 кВт∙ч/ГДж соответственно, исключая удельный расход условного топлива на выработку электроэнергии, где показатели существенно лучше.

4. Технология прямого использования этанола для энергетического производства позволяет расширить ресурсную базу энергетики путем вовлечения всех видов растительных биомасс (процессы брожения и ректификации) либо продуктов производства синтетического этанола из природного газа (процессы конверсии и ректификации).