Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором

Реферат: Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі твердооксидних паливних елементів, що працює на дизельному паливі та складається з послідовно з'єднаних паливного насоса, підігрівників, десульфуризатора, риформера, батареї паливних елементів, конденсаторів. Установка додатково оснащена утилізаційним газотурбінним агрегатом, входом під'єднаним до електрохімічного генератора, а виходом - з утилізаційним підігрівником. Використано десульфуризатор селективно-каталітичного окиснення та автотермічний риформер. UA 68864 U (54) СУДНОВА ЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА З ЕЛЕКТРОХІМІЧНИМ ГЕНЕРАТОРОМ UA 68864 U UA 68864 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до систем, що генерують електричну енергію і може знайти застосування у водному транспорті в складі суднових електростанцій та в стаціонарних енергетичних установках з електрохімічними генераторами. Відомо про енергетичну установку з електрохімічним генератором на основі твердооксидних паливних елементів, у якій процес паливопідготовки відбувається за допомогою послідовно розташованих паливного насоса низького тиску, змішувача палива з воднем, паливного насоса високого тиску, підігрівача, десульфуризатора, риформера палива, конденсатора, водневого сепаратора, батареї паливних елементів на основі твердооксидних паливних елементів та камери згоряння продуктів реакції. Також установка оснащена водневим акумулятором, паралельно з'єднаним з сепаратором водню та змішувачем палива з воднем, блоком підготовки пари, який складається з послідовно з'єднаних конденсатора, водяного насоса та підігрівника. У такій установці дизельне паливо попередньо змішується з воднем та підігрівається у послідовно розташованих підігрівниках, після чого за допомогою паливних насосів подається до десульфуризатора, де відбувається його очищення від сіркових сполук. Далі паливо підлягає конверсії у пароводяному риформері та подається до конденсатора, сепаратора водню і до батареї паливних елементів. Після генерації електричної енергії продукти електрохімічної реакції конденсують та спалюють у камері згоряння [див. патент США 5686196, 11.11.1997]. У подібній схемі використовується водень для десульфуризації палива, що викликає необхідність спеціальних систем зберігання, транспортування та використання водню. Найближчим аналогом, який прийнято за прототип, є енергетична установка з електрохімічним генератором на основі паливних елементів WFC 20 фірми Wartsila, що працює на дизельному паливі. Основними елементами такої установки є підігрівник палива, послідовно з'єднаний з десульфуризатором, риформером, додатковим підігрівником та батареєю паливних елементів. До блоку паливопідготовки перед риформером паралельно під'єднана лінія подачі водяної пари та рециркуляційної лінії від аноду батареї паливних елементів. Блок підготовки окисника представлений послідовно розташованими компресором та підігрівником повітря. В такій системі попередньо підігріте паливо проходить через адсорбційний десульфуризатор та подається до риформера, де піддається конверсії. Отриманий в результаті конверсії синтез-газ підігрівається до робочої температури електрохімічного генератора та подається до батареї паливних елементів, де відбувається генерація електричної енергії. Продукти реакції спалюють у каталітичній камері згоряння [див. Kolb G. Fuel processing for fuel cells: text / G. Kolb. Weinheim: Wiley-VCH Verlag Gmbh, 2008. - P. 324-325]. При використанні такої схеми системи на основі високотемпературних паливних елементів температура відхідних газів буде достатньо високою, що дає можливість більш раціонального використання продуктів реакції. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення суднової енергетичної установки з електрохімічним генератором, в якій, завдяки поділенню продуктів реакції електрохімічного генератора на два утилізаційні потоки забезпечується додаткова генерація електричної та теплової енергії. Поставлена задача вирішується тим, що суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі твердооксидних паливних елементів, що працює на дизельному паливі та складається з послідовно з'єднаних паливного насоса, підігрівників, десульфуризатора, риформера, батареї паливних елементів, конденсаторів додатково оснащена утилізаційним газотурбінним агрегатом, входом під'єднаним до електрохімічного генератора, а виходом - з утилізаційним підігрівником, при цьому використано десульфуризатор селективно-каталітичного окиснення та автотермічний риформер. Завдяки утилізації теплоти продуктів реакції для підігріву первинного палива перед реактором конверсії палива досягається підвищення ефективності установки за рахунок використання теплової енергії, виробленої безпосередньо електрохімічним генератором. Використання високопотенційної теплоти палива, що не вступило до електрохімічної реакції з метою виробництва пари для роботи автотермічного риформера на стадії пароводяної конверсії дизельного палива, дозволить підвищити ефективність системи. Застосування утилізаційного газотурбінного агрегату та підігрівника, розташованого за газотурбінним агрегатом, дозволяє використати теплоту відхідних газів усієї енергоустановки для вироблення додаткової пари, яку пропонується застосовувати на суднові потреби. Очікуване збільшення ефективності енергоустановки у порівнянні з прототипом складає приблизно 15%. На кресленні подано принципову схему суднової енергетичної установки з електрохімічним генератором на основі твердооксидних паливних елементів. Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі твердооксидних паливних елементів складається з послідовно з'єднаних паливного насоса 1, паливного фільтра 2, десульфуризатора 3, підігрівника палива 4, автотермічного риформера 5, які утворюють блок 1 UA 68864 U 5 10 15 20 25 30 35 40 паливопідготовки, та електрохімічного генератора 6. Блок утилізації продуктів реакції анодної лінії представлений послідовно з'єднаними підігрівниками надлишкового палива 7, 8, 9, сепаратора 10, цистерни прісної води 11, водяних насосів 12, 13, конденсатовідвідника 14, підігрівника пари 15. Повітряна система складається з послідовно з'єднаних повітряного фільтра 16, повітряного компресора 17, та підігрівника повітря 18. Утилізаційний блок катодної лінії представлений послідовно з'єднаним газотурбінним агрегатом 19, утилізаційним підігрівником 20, конденсатором 21, конденсатним насосом 22. Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі твердооксидних паливних елементів працює таким чином. Дизельне паливо насосом 1 подається через фільтр 2 в десульфуризатор 3, де відбувається процес його очищення від сіркових сполук методом селективно-каталітичного окиснення. Цей процес полягає в перетворенні окисненням сполук сірки у паливі до елементарної сірки, оксидів сірки, сульфоксидів, та/або сульфонів, з наступною адсорбцією або сепарацією окиснених сполук сірки в умовах навколишнього середовища. Очищене від сірки паливо підігрівається в підігрівнику 4 теплотою продуктів реакції електрохімічного генератора 6 та подається до риформера 5 для подальшої конверсії дизельного палива з метою отримання синтез-газу. Конверсію запропоновано проводити автотермічним риформінгом, при цьому реакція проходить при температурах 700-1000 °С без виділення або поглинання теплоти, тому що теплова енергія екзотермічної реакції парціального окиснення (перший етап конверсії палива), поглинається ендотермічною реакцією у реакторі парового риформінгу (другий етап конверсії палива). Робоча температура електрохімічного генератора 6 на основі твердооксидних паливних елементів (900-1100 °С) дозволяє використовувати отриману високопотенційну теплову енергію як на внутрішні потреби, так і на генерацію додаткової електричної енергії застосуванням газотурбінного агрегата. Теплота надлишкового (те, яке не використане під час електрохімічної реакції) палива утилізується підігрівниками 8, 9 для отримання водяної пари, що використовується в автотермічному риформері 5, за допомогою насосу 13 а саме у реакторі парового риформінгу з попереднім підігрівом пари до температури 450 °С у підігрівнику 15. Живильна вода для виробництва пари подається насосом 12 з цистерни 11 на підігрівник сепаратора газу 10, де з палива відбирається пара, отримана внаслідок електрохімічної реакції. Конденсат відводиться конденсатовідвідником 14. Далі підігріте у підігрівнику 7 до температури 750 °С паливо поступає до рециркуляційної лінії електрохімічного генератора. Отриманий в електрохімічному генераторі 6 газ є теплоносієм для підігріву дизельного палива у підігрівнику 4, повітря у підігрівнику 18 та водяної пари у підігрівнику 15. Залишкова теплота поступає до газотурбінного агрегату 19 для виробництва додаткової електроенергії. У підігрівнику 20 відбувається утилізація теплоти робочого тіла з газотурбінного агрегату (t = 600-700 °С) з метою отримання насиченої пари для суднових споживачів. Прісна вода для виробництва пари подається насосом 22 з цистерни 11 та конденсатора 21. Таким чином, модернізація енергетичної установки дозволяє підвищити її ефективність приблизно на 15%. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 45 50 Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі твердооксидних паливних елементів, що працює на дизельному паливі та складається з послідовно з'єднаних паливного насоса, підігрівників, десульфуризатора, риформера, батареї паливних елементів, конденсаторів, яка відрізняється тим, що установка додатково оснащена утилізаційним газотурбінним агрегатом, входом під'єднаним до електрохімічного генератора, а виходом - з утилізаційним підігрівником, при цьому використано десульфуризатор селективно-каталітичного окиснення та автотермічний риформер. 2 UA 68864 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3