В описываемой энергетической установке отсутствует реактор для воздушной или паровой конверсии этанола с целью получения синтез-газа.Этанол на медном катализаторе подвергается дегидрированию (отщепление водорода от этанола). Водород используется для производства электрической энергии, а образующаяся в этом процессе окись этилена направляется в водогрейный котёл для нагрева сетевой воды, используемой для отопления и горячего водоснабжения потребителей.Электрическая мощность 5 кВт, тепловая, отпускаемая в тепловые сети 9,54 кВт. Коэффициент использования топлива 51,5%. Удельный расход условного топлива на производство электрической энергии 0,131 кг у.т./кВтч., а тепловой энергии 93 кг у.т./ГДж. Выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении 145 кВтч/ГДж. По удельным показателем энергоустановка немного уступает современным теплоэлектроцентралям, за исключением удельного расхода условного топлива на производство электрической энергии.
1. Введение
Известны электрохимические генераторы, в которых синтез-газ получают в каталитических реакторах воздушной конверсией бородинского угля [1], природного газа [2], метана в реакторе с заторможенным псевдоожиженным слоем [3], паровой конверсией природного газа [4], воздушной конверсией моторного дизельного топлива [5]. Топливные электрохимические генераторы производят прямое преобразование химической в электрическую энергию [6]. В зависимости от назначения электрохимического генератора в них применяют разные вспомогательные устройства: насосы, вентиляторы, теплообменники, инверторы [7], [8]. Известны метанольные электрохимические генераторы [9]. 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 [10]. 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 [11]:
Cu, t
[LATEX_FORMULA] C_2 H_5 ОН → C_2 H_4 О+H_2[/LATEX_FORMULA]
Реакция (1) эндотермическая. Теплота передается из камеры 6 теплопроводностью.
Теплота реакции:
[LATEX_FORMULA]\Delta H_1=(\Delta H_{C2H4O}- \Delta H_{C2H5OH} )/\mu_{C2H4O} =[-93-(+278)]\cdot10^3/44=4204\text{ кДж/кг окиси этилена,}[/LATEX_FORMULA]
где
[12]
Истинная удельная изобарная теплоёмкость продуктов реакции (1) Cp=2,235 кДж(К∙кг этанола)
[13]
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:
[LATEX_FORMULA]H_2\rightarrow 2H^++2e^-[/LATEX_FORMULA]
Теплота реакции:
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
[LATEX_FORMULA]2H^++2\bar{e}\rightarrow H_2[/LATEX_FORMULA]
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.
[LATEX_FORMULA]H_2+0,625(O_2+3,76N_2)=h_2O+2,35N_2+0,125O_2[/LATEX_FORMULA]
Тепловой эффект реакции (4)
Температура топливного элемента, состоящего из анода, протонообменной мембраны и катода, находится из уравнения теплового баланса. Учитываются тепловые потери q5Missing Mark : sub=0,2 в окружающую среду.
[LATEX_FORMULA]C^*_p\cdot t+\Delta H^*_1=\Delta H_4(1-q_5)[/LATEX_FORMULA]
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 [14].
[LATEX_FORMULA]B_{H_2}=\frac{Q_\text{Э}}{\Delta G^*_{360K}}\text{, кг/с,}[/LATEX_FORMULA]
где
(где 1- один кмоль воды в уравнении
[4]
КПД топливного элемента ЭХГ по производству электроэнергии, o/e (%) [14].
[LATEX_FORMULA]\eta_\text{э}=\frac{\Delta G^*_{360K}}{\Delta H_4}[/LATEX_FORMULA]
В соответствии с уравнением (1) для производства водорода
[LATEX_FORMULA]B_{C2H5OH}=B_{H2}\cdot\frac{\mu_{C_2 H_5 OH}}{\mu_{H_2}}[/LATEX_FORMULA]
а выход окси этилена, кг/с.
[LATEX_FORMULA]B_{C_2H_4O}=\Delta B_{H_2}\cdot\frac{C_2H_4O}{\mu_{H_2}}[/LATEX_FORMULA]
Теплота окисления этанола определяется из стехиометрического уравнения (коэффициент избытка воздуха α=1,25)
[LATEX_FORMULA]C_2H_5OH + 3,75(O_2+3,76N_2)= 2CO_2+3H_20 + 0,75O_2+ 14,1N_2[/LATEX_FORMULA]
где
[12]
3. Определение расхода воздуха
Для окисления водорода при избытке расхода воздуха α=1,25 определяется из уравнения, кг/с.
[LATEX_FORMULA]H_2+0,625(О_2+3,76N_2)= H_2 O+2,35N_2 +0,125O_2[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]B_{В1}=B_{H2}\cdot\frac{[0,625(\mu_{O_2}+3,76\mu_{N_2}]}{\mu_{H_2}}[/LATEX_FORMULA]
Для окисления окиси этилена при избытке расхода воздуха α=1,25 определяется из уравнения, кг/с.
[LATEX_FORMULA]C_2 H_4 О+3,125(O_2+3,76N_2)= 2CO_2+2H_2 O+11,75N_2 +0,625O_2[/LATEX_FORMULA]
[LATEX_FORMULA]B_{В2}=B_{C_2 H_4 O}\cdot\frac{[3,125(\mu_{O_2}+3,76\mu_{N_2})]}{\mu_{C_2 H_4O}}[/LATEX_FORMULA]
4. Определение расхода продуктов окисления
В реакции (4) от окисления водорода, кг/с.
[LATEX_FORMULA]G_1=B_{H_2}\cdot\frac{2\mu_{CO_2}+2\mu_{H_2O}+11,75\mu_{N_2}+0,625\mu_{O_2}}{\mu_{C_2H_4O}}[/LATEX_FORMULA]
Мощность, приходящая в водогрейный котёл, кВт.
[LATEX_FORMULA]Q_{ВК}=B_{C_2 H_5 ОH}\cdot Q_Н^р- Q_{\text{Э}}-\Delta H_4\cdot q_5\cdot G_1- I\cdot B_{C_2 H_5 OH}[/LATEX_FORMULA]
где I кДж/кг – энтальпия насыщенного пара этанола, 1123 кДж/кг [15].
Расход уходящих газов из водогрейного котла, кг/с.
[LATEX_FORMULA]G_{УХ}=G_1+G_2[/LATEX_FORMULA]
Удельная истинная теплоёмкость продуктов окисления окиси этилена в водогрейном котле CУХMissing Mark : sub=1,39 кДж/(К∙кг продуктов окисления реакции (13)).
Температура продуктов окисления в водогрейном котле, оMissing Mark : supС.
[LATEX_FORMULA]t_{\text{ПО}}=\frac{Q_{\text{ВК}}}{C_{\text{УХ}} \cdot G_{\text{УХ}}}[/LATEX_FORMULA]
Мощность сетевого подогревателя , кВт.
[LATEX_FORMULA]Q_{\text{СП}}=C_{\text{УХ}} \cdot G_{\text{УХ}}\cdot (t_{\text{ПО}}+t_{\text{УХ}} )[/LATEX_FORMULA]
tyxMissing Mark : sub=120оMissing Mark : supС- температура уходящих газов из водогрейного котла.
Потери с уходящими газами, кВт:
[LATEX_FORMULA]Q_2=C_{\text{УХ}}\cdot G_{\text{УХ}} \cdot t_{\text{УХ}}[/LATEX_FORMULA]
Энергетические показатели установки.
Коэффициент использования топлива [16], o.e(%).
[LATEX_FORMULA]\eta_{\text{исп}}=Q_{\text{э}}+Q_{\text{СП}}/B_{C_2 H_5 ОH} Q_н^p[/LATEX_FORMULA]
Удельный расход условного топлива на производство электрической энергии, кг у.т./кВт.ч.
[LATEX_FORMULA]b_{\text{э}}=B_{H_2} \cdot\Delta H_2^* / Q_{\text{э}} \cdot Q_{\text{у.т.}}[/LATEX_FORMULA]
Удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии, кг у.т./ГДж.
[LATEX_FORMULA]b_{\text{т}}= B_{C_2 H_4 О} \cdot 10^6 \cdot\Delta H_{C_2 H_4 O} /Q_{\text{СП}} \cdot Q_{\text{у.т.}}[/LATEX_FORMULA]
Выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении, кВт∙ч/ГДж.
[LATEX_FORMULA]Э_{т}= Q_э \cdot10^6 \cdot∆H_{C_2 H_4 O} / Q_{СП}\cdot3600. [/LATEX_FORMULA]
Удельные показатели сравниваются с данными [17].
5. Материальный баланс энергоустановки, кг/с
[LATEX_FORMULA]∆_1= B_{C_2 H_5 ОH}+B_1+B_2-(G_1+G_2 )[/LATEX_FORMULA]
Материальный баланс сходится.
Баланс мощности энергоустановки, кВт.
[LATEX_FORMULA]∆_2= B_{C_2 H_5 ОH}\;Q_н^p-(Q_э+∆H_4 \cdot q_5 \cdot G_1+Q_2+Q_СП+I\cdot B_{C_2 H_5 ОH})[/LATEX_FORMULA]
Результаты расчётных исследований (см.таблицу).
Результаты расчётных исследований для номинального режима работы
Характеристика | Обозначение | Размерность | Формула | Значение |
Температура топливного элемента | t | С (К) | (5) | С (360К) |
Расход водорода | BH2Missing Mark : sub | (кг/ч) | (6) | (0,159) |
КПД топливного элемента | ηэMissing Mark : sub | о.е. (%) | (7) | 0,93 (93%) |
Ввод этанола | BC2H5OHMissing Mark : sub | кг/с | (8) | -3 |
Выход окиси этилена | BC2H4OMissing Mark : sub | кг/с | (9) | -3 |
Расход воздуха для окисления водорода | BВ1Missing Mark : sub | кг/с | (12) | -3 |
Расход воздуха для окисления окиси этилена | BВ2Missing Mark : sub | кг/с | (14) | -3 |
Расход продуктов окисления водорода | G1Missing Mark : sub | кг/с | (15) | -3 |
Расход продуктов окисления окиси этилена | G2Missing Mark : sub | кг/с | (16) | -3 |
Мощность приходящая в водогрейный котел | QВКMissing Mark : sub | кВт | (17) | 11,41 |
Расход уходящих газов водогрейного котла | GУХMissing Mark : sub | кг/с | (18) | -3 |
Температура продуктов окисления в котле | tПОMissing Mark : sub | С | (19) | 736 |
Мощность сетевого подогревателя | QСПMissing Mark : sub | кВт | (20) | 9,54 |
Потери с уходящими газами водогрейного котла | Q2Missing Mark : sub | кВт | (21) | 1,85 |
Коэффициент использования топлива | ηиспMissing Mark : sub | о.е. (%) | (22) | 0,515 (51,5%) |
Удельный расход условного топлива на производство электрической энергии | bэMissing Mark : sub | кг у.т./кВтч | (23) | 0,131 |
Удельный расход условного топлива на производство тепловой энергии | bтMissing Mark : sub | кг у.т./ ГДж | (24) | 93 |
Выработка электрической энергии на внешнем тепловом потреблении | ЭтMissing Mark : sub | кВтч/ГДж | (25) | 145 |
Материальный баланс энергоустановки | ∆1Missing Mark : sub | кг/с | (26) | 0 |
Баланс мощности энергоустановки | ∆2Missing Mark : sub | 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
–––
3. Удельные энергетические показатели этанольной когенерационной установки немного уступают аналогичным показателем когенерационных паросиловых установок
–
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).
The additional file for this article can be found as follows:
Further description of analytic pipeline and patient demographic information. DOI:
None