Ученые ТПУ предложили cделать способ производства синтез-газа более дешевым и экологичным
Исследование проводилось группой «Инжиниринг и устойчивое развитие производственных систем» ТПУ в рамках программы «Приоритет 2030: Энергия будущего» и гранта «Применение интегрированных технологий для снижения выбросов и повышения энергоэффективности крупных промышленных объектов» совместно с коллегами из Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова.
Синтез-газ представляет собой смесь углекислого газа и водорода. Его генерация — шаг к развитию водородной энергетики. Технология высокотемпературного электролиза позволяет конвертировать углекислый газ, выделяемый заводами и подстанциями, в продукт, который можно в дальнейшем использовать как источник энергии — водород или синтез-газ. Последний можно либо очищать от остаточного углекислого газа, получая чистый водород, либо использовать в промышленности для получения метанола, аммиака и других продуктов.
«Высокотемпературный совместный электролиз углекислого газа и воды — перспективный метод промышленной утилизации углекислого газа, позволяющий использовать его продукт для получения химических веществ или энергии. Но у технологии есть серьезные недостатки: значительные энергозатраты и высокая температура исходного сырья.
Из-за этого рентабельность получения синтез-газа на основе высокотемпературного электролиза довольно низкая и неконкурентоспособна по сравнению с другими способами. Потому так актуален вопрос повышения энергоэффективности установки», — поясняет один из авторов статьи, аспирант Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Максим Кузнецов.
Данные по технологии получения синтез-газа и процессу Фишера-Тропша были взяты из статьи американских ученых, опубликованной в журнале Energy, где рассматривалась работа двух установок в комплексе. По этой схеме синтез-газ, получаемый в процессе высокотемпературного электролиза, направляется на установку Фишера-Тропша, где далее получают бензин и дизель. При этом выделяется побочный продукт в виде углеводородного газа, который в дальнейшем сжигается на факеле. Томские ученые просчитали возможность оптимизации энергопотребления и использование побочного продукта на установке получения синтез-газа.
Анализ и модернизация установки высокотемпературного электролиза проводилась на основе принципов интеграции тепловых и технологических процессов с использованием модифицированного пинч-метода, основанного на термодинамике и позволяющего оптимизировать энергозатраты.
«На каждой установке происходят процессы нагрева и охлаждения потоков. Пинч-анализ позволяет определить, какое количество тепла экономически целесообразно использовать и оптимально передать от горячих потоков к холодным, — рассказывает Максим Кузнецов. — Также в рамках модернизации мы проанализировали саму установку совместного электролиза с помощью построения имитационной модели в среде UniSim Design. Выявили параметры технологических потоков, которые могут быть изменены без ущерба для качества получаемого синтез-газа».
Используя принципы интеграции процессов, ученые подобрали оптимальные температуры и другие параметры для этих потоков, определили, какое количество тепла и электроэнергии можно получить.
«В совокупности такой подход позволил снизить энергопотребление и количество электроэнергии, необходимое для реактора высокотемпературного электролиза, а также оптимизировать использование побочных продуктов. Экономия тепловой энергии составила 47 %, электроэнергии — 11 %, суммарные выбросы углекислого газа уменьшились на 25 тысяч тонн в год, — резюмирует руководитель проекта, научный сотрудник Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Станислав Болдырев. — На данном этапе у нас было недостаточно данных для детального изучения установки Фишера-Тропша. Мы планируем дальнейшие исследования данного процесса с получением детальной цифровой модели. Это позволит интегрировать оба процесса более глубоко и достигнуть еще большей энергоэффективности процесса».
Источник: Сдужба новостей ТПУ