COGENERATION PLANT POWERED BY ETHANOL DEHYDROGENATION PRODUCTS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2023.130.28
Issue: № 4 (130), 2023
Suggested:
08.02.2023
Accepted:
07.03.2023
Published:
17.04.2023
152
0
XML PDF

Abstract

In the described power plant, there is no reactor for the air or steam conversion of ethanol to produce synthesis gas.

Ethanol in a copper catalyst undergoes dehydrogenation (separation of hydrogen from ethanol). The hydrogen is used to generate electricity and the ethylene oxide produced in this process is sent to the water heating boiler to heat the delivery water used for heating and hot water supply to consumers.

Electric power 5 kW, heat supplied to heating networks 9.54 kW. The fuel utilization factor is 51.5%. Specific reference fuel consumption for electricity production is 0.131 kg c.e./kWh, and for heat energy – 93 kg c.e./GJ. Electricity generation for external heat consumption is 145 kWh/GJ. By specific parameters, the power unit is slightly inferior to modern combined heat and power plants, except for specific fuel equivalent consumption for electric power production.

1. Введение

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

, природного газа
, метана в реакторе с заторможенным псевдоожиженным слоем
, паровой конверсией природного газа
, воздушной конверсией моторного дизельного топлива
. Топливные электрохимические генераторы производят прямое преобразование химической в электрическую энергию
. В зависимости от назначения электрохимического генератора в них применяют разные вспомогательные устройства: насосы, вентиляторы, теплообменники, инверторы
,
. Известны метанольные электрохимические генераторы
. В топливном элементе применяют нерасходуемые анод и катод. Для анода важна каталитическая активность. В качестве катализаторов пригодны металлы первой и восьмой группы таблицы Д.И. Менделеева: золото, серебро, медь, железо, кобальт, никель
. Олово, рутений и рений, нанесённые на поверхность платины, ускоряют процесс дегидрирования метанола в несколько раз.

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.

2. Описание схемы энергетической установки

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

img
(1)

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

 Теплота реакции:

img

где img, img – теплоты образования веществ, кДж/кмоль

.

img - 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:

img
(2)

Теплота реакции:

img

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

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

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

img
(3)

Теплота реакции:

img

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.

img
(4)

Тепловой эффект реакции (4)

img

img

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

img
(5)

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

img

img

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

.

img
(6)

где

img

(где 1- один кмоль воды в уравнении

).

img- изменение энергии Гиббса при температуре (360K).

img

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

.

img
(7)

В соответствии с уравнением (1) для производства водорода

img потребуется ввести этанола, кг/с:

img
(8)

а выход окси этилена, кг/с.

img
(9)

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

img
(10)

img

где img, img, img – теплоты образования этих веществ

.

3. Определение расхода воздуха

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

img
(11)
img
(12)

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

img
(13)
img
(14)

4. Определение расхода продуктов окисления

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

img
(16)

Мощность, приходящая в водогрейный котёл, кВт.

img
(17)

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

.

 Расход уходящих газов из водогрейного котла, кг/с.

img
(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.

img
(19)

Мощность сетевого подогревателя , кВт.

img
(20)

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

Потери с уходящими газами, кВт:

img
(21)

Энергетические показатели установки.

Коэффициент использования топлива

, o.e(%).

img
(22)

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

img
(23)

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

img
(24)

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

img
(25)

Удельные показатели сравниваются с данными

.

5. Материальный баланс энергоустановки, кг/с

img
(26)

Материальный баланс сходится.

Баланс мощности энергоустановки, кВт.

img
(27)

Результаты расчётных исследований (см.таблицу).

Таблица 1 - Результаты расчётных исследований для номинального режима работы

Характеристика

Обозначение

Размерность

Формула

Значение

Температура топливного элемента

t

оС (К)

(5)

87оС (360К)

Расход водорода

BH2

кг/с

(кг/ч)

(6)

0,0442*10-3

(0,159)

КПД топливного элемента

ηэ

о.е. (%)

(7)

0,93 (93%)

Ввод этанола

BC2H5OH

кг/с

(8)

1,0166*10-3

Выход окиси этилена

BC2H4O

кг/с

(9)

0,9724*10-3

Расход воздуха для окисления водорода

BВ1

кг/с

(12)

1,896*10-3

Расход воздуха для окисления окиси этилена

BВ2

кг/с

(14)

9,48*10-3

Расход продуктов окисления водорода

G1

кг/с

(15)

1,94*10-3

Расход продуктов окисления окиси этилена

G2

кг/с

(16)

10,453*10-3

Мощность приходящая в водогрейный котел

QВК

кВт

(17)

11,41

Расход уходящих газов водогрейного котла

GУХ

кг/с

(18)

12,393*10-3

Температура продуктов окисления в котле

tПО

оС

(19)

736

Мощность сетевого подогревателя

QСП

кВт

(20)

9,54

Потери с  уходящими газами водогрейного котла

Q2

кВт

(21)

1,85

Коэффициент использования топлива

ηисп

о.е. (%)

(22)

0,515 (51,5%)

Удельный расход условного топлива на производство электрической энергии

bэ

кг у.т./кВтч

(23)

0,131

Удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии

bт

кг у.т./ ГДж

(24)

93

Выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении

Эт

кВтч/ГДж

(25)

145

Материальный баланс энергоустановки

1

кг/с

(26)

0

Баланс мощности энергоустановки

2

кВт

(27)

0

6. Заключение

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).

Article metrics

Views:152
Downloads:0
Views
Total:
Views:152