ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТВЕРДООКСИДНОГО ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОФЛОТАТОРА

Полный текст

Достижения в области топливных элементов в последние годы позволяют применять их с высокой эффективностью в различных областях инженерии. Электрофлотатор представляет собой устройство для очистки воды, в котором в результате электролиза воды вырабатываются газообразные водород и кислород. Данные газы впоследствии используются для адсорбции частиц дисперсной фазы из очищаемой воды. Захваченные частицы вместе с пузырьками газа образуют стойкую пену, которая перемещается в емкость, называемую накопителем флотошлама. Для увеличения эффективности очистки воды электрофлотатор объединяют с каталитическим блоком, в который поступает вода на доочистку. Доочистка производится путем окисления растворенных органических веществ кислородом, образующимся на анодах в процессе электролиза [1]. Однако процесс электрофлотации является энергозатратным, кроме того, существует вероятность образования взрывоопасной смеси кислорода с водородом. Для решения данных проблем существует вариант объединения электрофлотатора с топливным элементом, при этом водород, выделяющийся в процессе электрофлотации, утилизируется в топливном элементе с генерацией электрической энергии [1]. Топливным элементом (ТЭ) называется устройство генерации электрической энергии в процессе электрохимического окисления топлива. Любой ТЭ состоит из трех основных элементов: анод, катод и электролит. На аноде происходит окисление топлива, на катоде - восстановление окислителя, при этом электроны перемещаются по внешней электрической цепи, а ионы - через электролит. В зависимости от вида ТЭ различается и механизм его работы. Наиболее эффективными видами топливных элементов являются ТЭ с твердым электролитом, к ним относятся протонообменные полимерные ТЭ (PEMFC), твердооксидные ТЭ (SOFC), протонокерамические ТЭ (PCFC). В табл.1 представлены основные характеристики твердоэлектролитных ТЭ различных типов. В ходе работы электрофлотатора из него будет выделяться водород и непрореагировавший в каталитическом блоке кислород, данные газы могут быть успешно поданы в ТЭ, а электрическая связь ТЭ замкнута через электроды электрофлотатора. Таким образом, одновре- менно будут решены две задачи: утилизация водорода и повышение энергетической эффективности электрофлотатора. Рассмотрим схему работы системы на базе SOFC ячейки как на наиболее эффективной, надежной и устойчивой к загрязнениям топлива из промышленно выпускаемых видов топливных элементов. Предлагаемая схема работы электрофлотатора с SOFC представлена на рис. 1. Принцип работы предлагаемой системы заключается в следующем. Водород, отработавший в электрофлотаторе, поступает в SOFC блок, где он смешивается с рециркулирующим водородом, отсепарированным из выхлопов с анода SOFC, далее он подогревается до температуры, определяемой из условия максимально допустимых температурных напряжений в структуре SOFC и подается на анод ТЭ. Разность температур между входящими и выходящими из ТЭ потоками обычно не должна превышать 200 - 250 °С [2]. Количество кислорода, уходящего из каталитического блока, недостаточно для окисления всего поступающего на анод водорода, так как часть кислорода была использована при доочистке воды, кроме того, работа ТЭ всегда осуществляется с некоторым избытком кислорода для поддержания высокого парциального давления кислорода на катоде и, следовательно, большего смещения термодинамического равновесия в сторону продуктов химической реакции. Степень утилизации кислорода обычно составляет не более 60 % [3]. В связи с этим необходимо предусмотреть дополнительную подачу воздуха на катод. Таким образом, кислород, непрореагировавший в каталитическом блоке флотатора, смешивается с воздухом и проходит через конденсатор, где из уходящих с анода потоков сепарируется водород и дистиллированная вода в жидком виде. После всех ступеней подогрева обогащенный кислородом воздух подается на катод SOFC. В топливных элементах протекают электрохимические реакции (1) - (3) с генерацией постоянного электрического тока, который частично обеспечивает энергией электродные блоки флотатора, таким образом повышая эффективность системы. H2 + O2- + 2e- = H2O - анод; (1) 0,5O2 = O2- + 2e- - катод; (2) H2 + 0,5O2 H2O - суммарная реакция. (3) Для целей определения энергетической эффективности работы SOFC на водороде из электрофлотатора проводилось экспериментальное измерение вольтамперной характеристики единичной SOFC ячейки, предоставленной Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН при средней температуре работы в 800 °С. Результаты эксперимента представлены на рис. 2. Таблица 1 Основные характеристики твердоэлектролитных ТЭ Показатель PEMFC SOFC PCFC (нет промышленных образцов) Вид топлива Водород Водород, синтез. газ, метан, метанол, природный газ Температура работы, °С 20 - 100 650 - 1200 400 - 650 КПД по низшей теплоте существующих ТЭ, % 50 60 60 - 65 Рис. 1. Схема утилизации водорода из электрофлотатора на базе SOFC В. Д. Назаров, И. С. Ерилин, М. В. Назаров, О. В. Смородова 49 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 В диапазоне исследуемого значения токов получена линейная вольтамперная характеристика, что указывает на преимущественно омический характер падений напряжения в ТЭ [2]. Мощностная характеристика представляет собой полином второй степени с экстремумом при значении плотности тока 150 мА/см2, однако точка максимальной мощности ТЭ не всегда является оптимальным значением для работы, так как следует учитывать КПД топливного элемента, который снижается с ростом мощности. Исходя из полученной вольтамперной характеристики, электрический КПД топливного элемента ηe, %, может быть найден по формуле [2]: где - напряжение единичного топливного элемента, В; - ЭДС разомкнутой цепи идеального топливного элемента, В. С учетом того, что необратимость при токах, близких к нулю, у ТЭ весьма низкая, примем: , где - ЭДС разомкнутой цепи исследуемого топливного элемента, В [2]. Действительный электрический КПД топливного элемента , %, с учетом неиспользованной энергии топлива определяется из уравнения где - степень утилизации водорода. Задавшись степенью утилизации = 0,8 [4], построим зависимости КПД SOFC от тока и мощности (рис. 3). Если при объединении элементарных топливных ячеек используются металлические интерконнекты, то мощность, ток и напряжение являются аддитивными параметрами для систем невысокого напряжения, так как сопротивление металлических интерконнектов пренебрежимо мало [5]. , , Рис. 2. Вольтамперная и мощностная характеристики ячейки SOFC Рис. 3. Зависимость КПД SOFC от тока и мощности i, мА/см2 p, мВт/см2 КПД, % КПД, % p, мВт/см2 U, мВ i, мA/см2 y = -3,469x + 1089,7 R2 = 0,9959 i, мA/см2 y = -0,0031x2 + 1,0197x + 1,1618 R2 = 0,9985 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 50 ВОДОСНАБЖЕНИЕ, КАНАЛИЗАЦИЯ, СТРОИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ОХРАНЫ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ элемента при любых коэффициентах утилизации топлива. Исследуемый диапазон расходов водорода выбирался для однокамерных электрофлотаторов производительностью по очищаемой воде до 3 м3/ч, с удельными затратами энергии 0,3 кВт·ч/м3 и напряжением 15 В [1, 6]. В зависимости от планируемой мощности ТЭ необходимо предусмотреть несколько последовательно соединенных ячеек для увеличения напряжения до рабочего. Для эффективной работы ТЭ совместно с электрофлотатором напряжение на зажимах ТЭ должно соответствовать требуемому напряжению электрофлотатора. Однако вопрос максимально возможного количества подключаемых последовательно ячеек требует отдельного рассмотрения в связи со сложностями создания необходимого парциального давления водорода на аноде SOFC каждой элементарной ячейки. КПД SOFC будет равно отношению экономии электроэнергии электрофлотатор-SOFC системы к электрофлотатору без использования ТЭ (без учета потерь энергии при электролизе). Следует отметить, что затраты электроэнергии на привод вентиляторов влияют на эффективность системы в незначительной степени, так как в случае отсутствия ТЭ необходимо предусмотреть систему вытяжной вентиляции для разбавления выделяющегося водорода [7]. Рис. 4. Поверхность КПД исследуемой электрофлотатор-SOFC системы: z - КПД SOFC, %; x - расход водорода, г/сут; y - активная площадь SOFC, см2. Выводы. В результате исследования была доказана возможность применения SOFC российского производства для целей повышения энергетической эффективности и обеспечения безопасности работы электрофлотационной установки. При этом особенностью данной системы является стабильная работа в широком диапазоне расходов водорода из флотационной установки без значительного падения КПД или мощности топливного элемента. Оптимальным вариантом для однокамерных электрофлотаторов производительностью по очищаемой воде до 3 м3/ч являются SOFC с площадью активной поверхности в 250 - 500 см2. Так, для установки производительностью по очищаемой воде 3 м3/ч (45 г/сут водорода) SOFC с напряжением на зажимах в 15 В и КПД 50 % будет обеспечивать мощность в 500 Вт, что Из рис. 3 определено, что исследуемый SOFC демонстрирует стабильную работу без скачкообразного падения КПД до значений удельной мощности в 70 мВт/см2, поэтому эксплуатацию ТЭ целесообразно проводить, не превышая данное значение. Исходя из измеренного значения тока, по закону Фарадея может быть найден расход топлива , г/с , проходящего через активную поверхность SOFC: где I - ток топливного элемента, А; - молярная масса водорода, г/моль; F - постоянная Фарадея, кл/моль. Тогда подбор SOFC может быть проведен исходя из заданного значения расхода водорода, площади активной поверхности топливного элемента и соответствующего значения КПД. Значение площади SOFC не всегда будет выбираться из условий максимальной мощности, так как с увеличением площади будут расти и капитальные затраты на ТЭ, поэтому окончательный выбор ТЭ определяется технико-экономическим обоснованием. На рис. 4 показана поверхность значений КПД ТЭ при различных расходах водорода и площадях активной поверхности ТЭ. Поверхности подобного рода могут быть построены для любого топливного , В. Д. Назаров, И. С. Ерилин, М. В. Назаров, О. В. Смородова 51 Градостроительство и архитектура | 2019 | Т. 9, № 1 эквивалентно 55 % мощности рассматриваемого электрофлотатора. Благодарности: Благодарим коллектив Института высокотемпературной электрохимии УрО РАН за помощь в предоставлении оборудования и образцов для исследования.

Об авторах

Владимир Дмитриевич НАЗАРОВ

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Иван Сергеевич ЕРИЛИН

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Максим Владимирович НАЗАРОВ

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Ольга Викторовна СМОРОДОВА

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Email: vestniksgasu@yandex.ru

Список литературы

Дополнительные файлы