Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі розплавно-карбонатних паливних елементів

Реферат: Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі розплавнокарбонатних паливних елементів містить компресор природного газу, підігрівник, адсорбційний десульфуризатор, риформер, батареї паливних елементів, конденсатори, утилізаційний газотурбінний агрегат, електрохімічний генератор. UA 74675 U (54) СУДНОВА ЕНЕРГЕТИЧНА УСТАНОВКА З ЕЛЕКТРОХІМІЧНИМ ГЕНЕРАТОРОМ НА ОСНОВІ РОЗПЛАВНО-КАРБОНАТНИХ ПАЛИВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ UA 74675 U UA 74675 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 розплавнокарбонатних паливних елементів, у якій процес паливопідготовки відбувається за рахунок внутрішнього риформера, який розташований безпосередньо на батареї паливних елементів. Також установка оснащена блоком попереднього риформінгу палива, під'єднаного до вхідного патрубка батареї паливних елементів. У такій установці природний газ попередньо змішується з водяною парою та подається до блоку попереднього риформінгу, а далі - до внутрішнього риформера електрохімічного генератора. Після генерації електричної енергії продукти електрохімічної реакції спалюють у каталітичній камері згоряння та використовують продукти згоряння у турбокомпресорі для забезпечення робочих параметрів повітря для роботи електрохімічного генератора [див. Fermeglia Μ. Steady state and Dynamic simulation of molten carbonate fuel cells: text/ M. Fermeglia, A. Cudicio, G. DeSimon, G. Longo, S. Pricl // Chemical Engineering Transactions, 2004 - № 4, P. 391-396.]. У подібній схемі утилізація продуктів реакції у турбокомпресорі без використання в подальшому теплової енергії продуктів реакції є малоефективною, а також застосування внутрішнього риформеру ускладнює технічне обслуговування електрохімічної установки в суднових умовах. Найближчим аналогом є енергетична установка з електрохімічним генератором на основі розплавно-карбонатних паливних елементів HotModule HM400 фірми MTU Onsite Energy, що працює на природному газі. Основними елементами такої установки є блок підготовки палива (до складу якого входять підігрівник палива, послідовно з'єднаний з десульфуризатором, реактором попереднього риформінгу), батарея паливних елементів та блок управління і автоматизації установки. В такій установці природний газ піддається пароводяній конверсії у блоці підготовки палива з метою отримання синтез-газу, а потім подається до батареї паливних елементів, де відбувається безпосередня генерація електричної енергії. Продукти реакції спалюють в каталітичній камері згоряння, а отриману теплову енергію використовують на внутрішні потреби для забезпечення умов проходження процесів паливопідготовки. [19. Sundmacher Kai. Molten carbonate fuel cells / Kai Sundmacher, Achim Kienle, Hans Josef Pesch, Joachim F. Berndt, Gerhard Huppmann. - Germany.: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2007. XVI, 245 p. - ISBN 978-3-527-31474-4.]. При використанні такої установки 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 вдосконалення 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 розплавно-карбонатних паливних елементів, що працює на природному газі та складається з послідовно з'єднаних компресора природного газу, 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 адсорбційний десульфуризатор та пароводяний риформер. Завдяки утилізації теплоти продуктів реакції для підігріву первинного палива перед реактором конверсії палива досягається підвищення ефективності установки за рахунок використання вторинної теплової енергії, виробленої безпосередньо електрохімічним генератором. Використання високопотенційної теплоти палива, що не вступило до електрохімічної реакції з метою виробництва пари для роботи пароводяного риформера природного газу, 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 13 %. На кресленні подано принципову схему суднової енергетичної установки з електрохімічним генератором на основі розплавно-карбонатних паливних елементів. Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі розплавнокарбонатних паливних елементів складається з послідовно з'єднаних компресора природного газу 1, фільтра 2, десульфуризатора 3, підігрівника 4, пароводяного риформера 5, які утворюють блок паливопідготовки, та електрохімічного генератора 6. Блок утилізації продуктів 1 UA 74675 U 5 10 15 20 25 30 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, сепаратором 21, насосом 22. Робота суднової енергетичної установки з електрохімічним генератором на основі розплавно-карбонатних паливних елементів відбувається таким чином. Природний газ компресором 1 подається через фільтр 2 в десульфуризатор 3, де відбувається процес його очищення від сіркових сполук адсорбційним способом. Очищене від сірки паливо підігрівається в підігрівнику 4 теплотою продуктів реакції електрохімічного генератора 6 та подається до риформера 5 для подальшої конверсії природного газу з метою отримання синтез-газу. Конверсію запропоновано проводити пароводяним риформінгом, при цьому ендотермічна реакція проходить при температурах 700-900 °C. Робоча температура електрохімічного генератора 6 на основі розплавно-карбонатних паливних елементів (650 °C) 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 пароводяному риформері 5, за допомогою насосу 13 з попереднім підігрівом пари до температури 450 °C 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 550 °C паливо надходить до рециркуляційної лінії електрохімічного генератора. Отриманий в електрохімічному генераторі 6 газ є теплоносієм для підігріву природного газу у підігрівнику 4, повітря у підігрівнику 18 та водяної пари у підігрівнику 15. Залишкова теплота надходить до газотурбінного агрегату 19 для виробництва додаткової електроенергії. У підігрівнику 20 відбувається утилізація теплоти робочого тіла з газотурбінного агрегату (t=400…550 °C) з метою отримання насиченої пари для суднових споживачів. Прісна вода для виробництва пари подається насосом 22 з цистерни 11 та сепаратора 21. Модернізація енергетичної установки дозволяє підвищити її ефективність приблизно на 13 %. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 Суднова енергетична установка з електрохімічним генератором на основі розплавнокарбонатних паливних елементів, що працює на природному газі та складається з послідовно з'єднаних компресора природного газу, 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 адсорбційний десульфуризатор та пароводяний риформер. 2 UA 74675 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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