ГОРЯЧИЙ БОКС НА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТВЕРДООКСИДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

Область техники.
Заявляемая полезная модель относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначена для прямого преобразования химической энергии природного газа (метана) в электрическую энергию с использованием высокоактивных катализаторов в условиях эксплуатации на магистральных трубопроводах.
Уровень техники.
Известно устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, включающее батарею из трубчатых элементов (Патент США 4,374,184, Edward V. Somers, Arnold О Isenberg, Fuel Cell Generator and Method of Operating Same. Feb. 15, 1983, Int. C1. H01M 8/06, U.S. C1. 429/17; 429/31). Корпус батареи известного устройства включает генерирующую камеру, камеру дожига, которая является также камерой предварительного нагрева воздуха, камеру входящего воздуха и камеру перемешивания реагентов для риформирования топлива и распределения продуктов риформирования. Трубчатые элементы батареи расположены горизонтально, выполнены в виде пробирок из диоксида циркония, закрытые концы которых направлены к камере смешения, а открытые - к камере дожига и нагрева воздуха. Камеры известного устройства разделены перегородками с проходными отверстиями для обеспечения перехода соответствующих газовых потоков между камерами. Дожиг непрореагировавших газов осуществляется непосредственно над топливными элементами. Это приводит, во-первых, к нерациональному использованию освобождающейся тепловой энергии, во-вторых, к ухудшению градиента температуры вдоль топливных элементов. Кроме того, достаточно большая доля топливной смеси, проходит через генераторную камеру, не прореагировав. Все это в совокупности снижает коэффициент полезного действия (КПД) устройства.
Наиболее близким техническим решением является электрохимический генератор, содержащий генераторную камеру с удлиненными электрохимическими элементами, камеру дожига, камеру риформинга топлива с каталитическим материалом, каналы для ввода свежего топлива и воздуха, канал для вывода отработавшего топлива, размещенные в едином теплоизоляционном корпусе, а также смесительную камеру со смесительной насадкой, установленной на входе камеры, объединяющей канал для рециркуляции отработавшего топлива с каналом для ввода топлива. Смесительная камера и смесительная насадка расположены вне основной части электрохимического генератора и отнесены от камеры сгорания и генераторной камеры (ЕПВ №0468698, Н01М 8/06, 1991).
Недостатком известного генератора является нерациональный расход тепла, низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено тем, что электрохимический генератор предназначен для применения топливных батарей с трубчатыми элементами.
Раскрытие полезной модели.
Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - повышение КПД горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.
Технический результат, на решение которого направлено заявляемое устройство, - повышение КПД горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.
Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем.
Горячий бокс на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах содержит расположенные в теплоизолированном корпусе риформер, горелку дожигания. В отличие от прототипа, заявляемое устройство дополнительно содержит топливную батарею, эжектор, горелку стартового разогрева, два теплообменника. Теплоизолированный корпус снабжен входом для подачи воздуха, входом для подачи природного газа, выходом для выхлопных газов и выводами клемм топливной батареи. Вход для подачи воздуха и вход для подачи природного газа сообщены трубопроводом с эжектором, при этом вход для подачи воздуха сообщен с эжектором через средство для регулирования количества воздуха и первый теплообменник. Эжектор, риформер, топливная батарея и горелка дожигания последовательно соединены трубопроводом, при этом выход риформера соединен с входом анодного канала топливной батареи, а выход анодного канала и выход катодного канала топливной батареи каждый соединен с входом горелки дожигания. Вход для подачи воздуха через второй теплообменник соединен трубопроводом с входом катодного канала топливной батареи, к которому подключен датчик температуры. Вход горелки стартового разогрева соединен трубопроводами с входом для подачи воздуха и входом для подачи природного газа через клапан для регулирования расхода воздуха и клапан для регулирования расхода природного газа соответственно. Выход горелки дожигания и выход горелки стартового разогрева каждый сообщены трубопроводами последовательно со вторым и первым теплообменниками и выходом выхлопных газов.
Риформер может быть выполнен в виде трубчатого теплообменника.
Выполнение риформера в виде трубчатого теплообменника позволяет дополнительно снизить мощность потребления собственных нужд заявляемым устройством, уменьшить потери тепла, а следовательно повысить КПД заявляемого устройства.
Использование горелки стартового разогрева позволяет уменьшить время стартового разогрева заявляемого горячего бокса, что повышает КПД заявляемого устройства.
Использование первого и второго теплообменников позволяет снизить затраты энергии на первоначальный разогрев топливной батареи путем теплопередачи тепловой энергии от уходящих газов из горелки при пуске и от уходящих газов из горелки дожигания при номинальном режиме, что позволяет повысить КПД заявляемого устройства.
Топливная батарея состоит из твердооксидных топливных элементов планарной конструкции в которых протекает прямое электрохимическое окисление синтез-газа, поступающего из риформера в анодный канал топливной батареи, кислородом воздуха, диффундирующим через электролит из катодного канала топливной батареи, с получением постоянного электрического тока, и является обязательным элементом заявляемого устройства, без которого устройство не может работать по назначению.
2
2
Риформер предназначен для получения синтез-газа (состав: CO+H+N) из природного газа путем его каталитической конверсии кислородом, который содержится в атмосферном воздухе и является обязательным элементом заявляемого устройства, без которого устройство не может работать по назначению.
Горелка стартового разогрева предназначена для разогрева воздуха, подаваемого в катодный канал топливной батареи и разогрева воздуха, подаваемого в риформер природного газа, при первоначальном запуске энергоустановки.
4
2
Горелка дожигания предназначена для окисления не прореагировавших молекул оксида углерода (СО), метана (СН) и водорода (Н), содержащихся в уходящих газах анодного канала, а также для поддержания требуемой температуры смеси природного газа и воздуха, подаваемого в риформер для получения синтез-газа, подаваемого ко входу анодного канала топливной батареи в режиме нормальной работы и для поддержания температуры воздуха подаваемого ко входу катодного канала топливной батареи.
Второй теплообменник, как система подогрева воздуха, подаваемого на катодный канал топливной батареи, предназначен для регулирования температурного градиента в топливных элементах топливных батарей во всех режимах работы заявляемого устройства.
Первый теплообменник как система подогрева воздуха, идущего в риформер, предназначена для регулирования температурного градиента смеси топлива и воздуха в риформере во всех режимах работы и для эффективного протекания химической реакции каталитического воздушного окисления метана, содержащегося в природном газе.
Заявляемое устройство в отличие от прототипа имеет отличительные признаки, а значит, соответствует критерию патентоспособности «новизна».
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано для энергоснабжения станций катодной защиты при транспорте нефти и газа.
Краткое описание чертежей.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема компоновки горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.
Осуществление полезной модели
Заявляемый горячий бокс предназначен для прямого преобразования химической энергии природного газа в электрическую энергию с использованием высокоактивных катализаторов путем электроокисления метана и электровосстановления кислорода воздуха.
Горячий бокс на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах содержит расположенные в теплоизолированном корпусе 1 риформер Р, топливную батарею ТБ, горелку дожигания Г2, эжектор Э, горелку стартового разогрева Г1, два теплообменника ТК1 и ТК2. Теплоизолированный корпус 1 снабжен входом для подачи воздуха 2, входом для подачи природного газа 3, выходом для выхлопных газов 4 и выводами клемм топливной батареи 5. Вход для подачи воздуха 2 сообщен трубопроводом (проточный канал 1.2.2) с эжектором Э через тройники Т2, Т1 и средство для регулирования количества воздуха К3 и первый теплообменник ТК1. Вход для подачи природного газа 3 сообщен трубопроводом (проточный канал 2.2) с эжектором Э через тройник Т1. Эжектор Э, риформер Р, топливная батарея ТБ и горелка дожигания Г2 последовательно соединены трубопроводом (не обозначен на чертежах), при этом выход риформера Р соединен с входом анодного канала 6 топливной батареи ТБ, а выход анодного канала 7 и выход катодного канала 8 топливной батареи ТБ каждый соединен с входом горелки дожигания Г2. Вход для подачи воздуха 2 через тройники Т2, ТЗ, второй теплообменник ТК2 соединен трубопроводом (проточный канал 1.2.1) со входом катодного канала 9 топливной батареи ТБ. Вход горелки стартового разогрева Г1 соединен трубопроводами (проточные каналы 1.1 и 2.1 соответственно) с входом для подачи воздуха 2 и входом для подачи природного газа 3 через тройник Т2, клапан для регулирования расхода воздуха К2 и тройник Т1, клапан для регулирования расхода природного газа К1 соответственно. Выход горелки дожигания Г2 и выход горелки стартового разогрева Г1 каждый сообщены трубопроводами (не обозначены на чертежах) последовательно со вторым теплообменником ТК2, первым теплообменником ТК1 и выходом выхлопных газов 4.
Риформер Р выполнен в виде трубчатого теплообменника.
На входе риформера Р стоит датчик измерения температуры с максимальной отсечкой 800°C д1, внутри - с максимальной отсечкой 900°C д2. Учитывая критичность технологических процессов, проходящих в топливной батарее ТБ, для контроля значения температуры на выходе риформера Р установлен датчик д3, контролирующий температуру синтез-газа в диапазоне 650-875°C. Для повышения надежности системы и обеспечения дополнительной безопасности персонала и объектов газотранспортной структуры контроллером безопасности дублируются измерения технологических параметров за счет установки дополнительного датчика д4, перед входом в анодный канал 6 топливной батареи ТБ. Для контроля температуры на вход катодного канала 2 установлен датчик температуры д5, который будет передавать информацию - обратную связь, для управления скоростью потока воздуха, подаваемым модулем подачи и отведения технологических газов.
На выходе из анодного канала 7 топливной батареи ТБ стоят датчики температуры д6 с максимальной отсечкой 840°C и д7 с минимальной отсечкой температуры 200°C.
Для контроля температурного режима в горелке дожигания Г2 используют термопары д8, д9, которые имеют максимальные и минимальные значения температур в разрешенном диапазоне.
Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем.
В случае первоначального запуска используется режим стартового разогрева, который предназначен для запуска и вывода на режим нормальной работы заявляемого горячего бокса при автономном запуске энергетической установки. Через вход для подачи воздуха 2 подается с модуля подачи и отведения технологических газов (не показан на чертежах) окислитель (воздух окружающей среды), который посредством тройника Т2, Т3 и клапана для регулирования расхода воздуха К2 и средства для регулирования количества воздуха К3 распределяется на вход стартовой горелки Г1 (по проточному каналу 1.1), через второй теплообменник ТК2 к входу катодного канала 9 топливной батареи ТБ (проточный канал 1.2.1) и через первый теплообменник ТК1 и эжектор Э на риформер Р (проточный канал 1.2.2).
Окислитель (воздух), подаваемый во вход для подачи воздуха 2 через второй теплообменник ТК2 к входу катодного канала 9 (проточный канал 1.2.1) и через первый теплообменник ТК1 и эжектор Э на риформер Р (проточный канал 1.2.2) разогревается до диапазона 650-875°C за счет второго теплообменника ТК2 и первого теплообменника ТК1 соответственно. Природный газ через вход для подачи природного газа 3 поступает через тройник Т1 и клапан для регулирования расхода природного газа К1 на вход горелки стартового разогрева Г1 (по каналу 2.1) и через тройник Т1 на риформер Р через эжектор Э (по каналу 2.2).
После достижения температуры воздуха, поступающего во вход катодного канала 9 на уровне 650°C, клапан для регулирования расхода природного газа К1 закрывается, отключая подачу топлива в горелку стартового разогрева Г1.
Эжектор Э смешивает воздух и природный газ подавая их в риформер Р. Риформер Р обеспечивает получение синтез-газа (состав: CO+H2+N2) из природного газа путем его каталитической конверсии кислородом, который содержится в атмосферном воздухе.
Топливная батарея ТБ обеспечивает прямое преобразование химической энергии синтез-газа, подаваемого через вход в анодный канал 6 в анодный канал топливной батареи ТБ из риформера Р в электрическую энергию.
Смесь технологических газов, поступающая из выхода анодного канала 7 каждой топливной батареи ТБ и содержащая пары воды, углекислый газ и не вступившие в реакцию молекулы водорода и угарного газа дожигаются в горелке дожигания Г2. Для окисления газов с выхода анодного канала 7 на вход горелки дожигания Г2 и с выхода катодного канала 8 топливной батареи ТБ подается обедненный кислородом воздух, который все еще содержит достаточное количество молекул кислорода, чтобы доокислить не вступившие в реакцию в топливной батареи ТБ.
В каталитической горелке дожигания Г2 происходит утилизация не вступившего в реакцию окислителя в топливной батарее ТБ водорода и угарного газа при температуре в диапазоне от 625°C до 1250°C.
Выхлопные газы с выхода горелки дожигания Г2 и горелки стартового разогрева Г1 через тройник Т4 проходят на второй теплообменник ТК2, где они используются в качестве теплоносителя для разогрева воздуха, подаваемого на вход катодного канала 9 топливной батареи ТБ, далее поступают в первый теплообменник ТК1, где они используются в качестве теплоносителя для разогрева воздуха, подаваемого через эжектор Э на риформер Р, и выводятся через выход для выхлопных газов 4.
Как только горелка стартового разогрева Г1 обеспечивает необходимую температуру воздуха на выходе из катодного канала 8, заявляемый горячий бокс переходит в режим нормальной работы.
Таким образом, горелка стартового разогрева Г1 обеспечивает разогрев воздуха, подаваемого на вход катодного канала 9 топливной батареи ТБ, и воздуха, подаваемого в риформер, при первоначальном запуске энергоустановки за счет использования выхлопных газов в качестве теплоносителя во втором теплообменнике ТК2 и первом теплообменнике ТК1.
Горелка дожигания Г2 обеспечивает поддержание требуемой температуры воздуха, подаваемого в риформер Р, и воздуха, подаваемого на вход катодного канала 9 топливной батареи ТБ, в режиме нормальной работы за счет использования выхлопных газов в качестве теплоносителя во втором теплообменнике ТК2 и первом теплообменнике ТК1.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет достичь технического результата - повышение КПД горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.