КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 19-19-00257

НазваниеРазработка структурированного катализатора и фундаментальных основ проведения окислительной конверсии дизельного топлива в синтез-газ для использования в энергоустановках на основе топливных элементов

РуководительСнытников Павел Валерьевич, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-403 - Водородная энергетика

Ключевые словаводород, синтез-газ, дизель, паровая конверсия, автотермический реформинг, гетерогенный катализ, топливные элементы, структурированные катализаторы, родий, оксиды церия-циркония, топливный процессор, математическое моделирование

Код ГРНТИ44.31.39

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Ежегодно глобальный спрос на электроэнергию возрастает в большинстве областей ее применения. Устойчивое развитие энергетики остается одной из важных проблем для человечества из-за ограниченного количества ископаемых энергоресурсов и, что более важно, из-за выбросов CO2 при эксплуатации обычных энергетических систем, что способствует климатическим изменениям и глобальному потеплению. Для перехода к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике разрабатываются альтернативные системы преобразования энергии. Перспективным вариантом для получения электроэнергии являются энергоустановки на основе топливных элементов, которые по своим техническим и эксплуатационным характеристикам превосходят эксплуатирующиеся в настоящее время коммерчески доступные энергоустановки киловаттного класса. Одной из основных проблем, сдерживающих внедрение энергоустановок на основе топливных элементов в повседневную жизнь, пока остается их стоимость и доступность используемого топлива. Таким образом, для начального, «переходного» периода существует большая потребность и значительный потенциал для технической и научной разработки эффективных систем преобразования энергии, работающих на привычном для потребителей дизельном топливе, инфраструктура которого широко развита во всех областях нашей страны. Эта задача может быть решена путем включения в состав энергоустановки дополнительного устройства – топливного процессора, позволяющего конвертировать дизельное топливо в пригодный для питания топливных элементов водородсодержащий газ. Во многих странах активно ведется разработка электрохимических генераторов малой мощности (1-5 кВт), работающих на дизельном топливе. Такое устройство состоит из топливного процессора, предназначенного для конверсии топлива в водородсодержащий газ, и топливного элемента. Достоинством технологии получения электроэнергии из дизельного топлива в электро-химических генераторах на основе топливных элементов является высокий КПД — от 35% до 65%, что в кратно превышает КПД дизельных генераторов малой мощности. Также к преимуществам относится экологическая безопасность, бесшумность работы, отсутствие движущихся частей, из-за чего установки не требуют обслуживания в течение долгого времени. Помимо применения в бытовых целях, подобные электрохимические генераторы могут быть использованы на борту грузовых транспортных средств в качестве вспомогательной энергоустановки. Такая технология позволит существенно экономить топливо, снизить выбросы в атмосферу и продлить срок службы ДВС. Устройство может получить широкое применение в отдаленных регионах нашей страны и в структурах Министерства обороны РФ. На рынке до сих пор отсутствует коммерчески доступный продукт — катализатор конверсии коммерческого дизельного топлива и, соответственно, топливный процессор, который бы позволял получать водородсодержащий газ для питания топливных элементов. Большинство научных исследований ограничивается проведением экспериментов в лабораторном формате. Трудности связаны с многокомпонентностью моторного топлива, а также наличием в нем каталитического яда – серы. Коммерческий дизель содержит в своем составе ди- и поли-ароматические соединения, конверсия которых вызывает наибольшие затруднения. Неполная конверсия топлива сопровождается зауглероживанием катализатора, что приводит к его дезактивации. Деградационные процессы также возникают из-за спекания активного компонента в условиях довольно высоких температур (750-1000 оС). Все эти факторы приводят к затруднениям в создании эффективного катализатора и, соответственно, топливного процессора. Решение данной научно-технической проблемы будет революционным, ускорив переход к экологически чистой, ресурсосберегающей распределенной энергетике, к возобновляемым источникам энергии и водородной энергетике. Успешное решение задачи получения водородсодержащего газа из дизеля автоматически открывает возможность по переводу энергоустановок для работы на возобновляемом природном сырье – биодизеле. На сегодняшний день коллективом исполнителей проекта был разработан высокоэффективный композитный катализатор типа “наночастицы активного металла (Rh)/наночастицы активного оксида (смешанные оксиды церия)/структурный оксидный компонент (оксид алюминия)/структурированная металлическая подложка (сетка из сплава FeCrAl)”. Катализатор демонстрировал стабильную работу на протяжении 200 часов в условиях паровоздушной конверсии коммерческого дизельного топлива. В результате выполненной работы было показано, что приготовленный каталитический блок является стабильным и регенерируемым в условиях риформинга углеводородов, нарушений морфологии и деградации микроструктуры не наблюдалось ни в лобовой части, ни на выходе из блочного катализатора. Следующим этапом является разработка топливного процессора для конверсии дизельного топлива в синтез-газ. Научная новизна проекта определяется комплексным подходом к решению сложной и актуальной проблемы каталитической окислительной конверсии многокомпонентных смесей жидких углеводородов дизельной фракции, разработки активного и стабильного катализатора и, в конечном итоге, создания топливного процессора для высокоэффективных транспортных и стационарных энергоустановок на основе топливных элементов. В условиях паровоздушной конверсии дизеля большое значение имеет разработка системы подачи и смешения реагентов для минимизации некаталитических гомогенных реакций, которые приводят к сажеобразованию. В ходе паровоздушной конверсии должна обеспечиваться высокая теплопроводность для передачи тепла из лобовой зоны (зоны с высокой экзотермичностью реакции, где преимущественно протекают процессы полного окисления), в хвостовую зону (зону с высоким эндотермическим эффектом, где идут процессы паро- и углекислотной конверсии углеводородов. Большинство исследований показывают, что недостаток тепла в хвостовой зоне катализатора играет ключевую роль в снижении конверсии топлива, поэтому эффективность риформинга во многом будет зависеть не только от катализатора, но и от конструкционных особенностей топливного процессора, разработка которого планируется в этой работе. В ходе проекта будут определены переходные режимы работы катализатора, а также способы его кратковременной регенерации для поддержания стабильной активности на длительном пробеге. Созданные новый катализатор и топливный процессор конверсии дизельного топлива позволят расширить область применения и круг потенциальных потребителей энергоустановок на основе топливных элементов, закладывая для их разработчиков и производителей все предпосылки по снижению себестоимости, производству коммерчески приемлемого и конкурентоспособного продукта и ускорению его выхода на рынок.

Ожидаемые результаты
1. Будет проведено снижение содержания дорогостоящего родия в составе разработанного нами ранее композитного структурированного катализатора. С использованием Rh-содержащего катализатора будут изучены процессы отложения серы на поверхности катализатора, типа образующейся серы и ее преимущественной локализации в структуре катализатора в ходе конверсии дизельного топлива. 2. Будет изучено удаление серы, образовавшейся на поверхности катализатора, в ходе конверсии дизельного топлива и в ходе процесса регенерации катализатора. Будет определена возможность саморегенерации катализатора в ходе реакции. Будут предложены способы быстрой промежуточной регенерации катализатора. 3. С использованием определенных в ходе эксперимента кинетических параметров будет проведено математическое моделирование процесса испарения дизельного топлива. Будет осуществлена оптимизация системы формирования реакционной смеси и тепловой схемы риформера. 4. На основании результатов математического моделирования будут проведены экспериментальные исследования системы формирования реакционной смеси. Будет создан оптимизированный макет топливного процессора в расчете мощность ТОТЭ до 1 кВт. 5. Будут проведены пилотные испытания разработанного макета топливного процессора. Будут исследованы нестационарные режимы работы риформера, возникающие в процессе пуск/останов. Изучена максимальная и минимальная производительность риформера. Определены оптимальные рабочие параметры процесса автотермической конверсии дизельного топлива. 6. С помощью комплекса физико-химических методов будут изучены материалы топливного процессора и проведено исследование протекающих в ходе пилотных испытаний деградационных процессов. Достижение ожидаемых результатов по своему масштабу и комплексности можно сравнить с разработкой автомобильных технологий нейтрализации выхлопных газов, послужившей формированию отдельного направления в автомобильной отрасли на несколько следующих десятилетий. Разработка дизельных топливных процессоров получения синтез-газа для питания топливных элементов позволит начать их использование в распределенной энергетике для энергоснабжения стационарных объектов Арктических и Дальневосточных регионов Российской Федерации. За счет более высокого КПД (1,5-2 раза) электрохимических генераторов по сравнению с традиционными дизельгенераторами, можно кратно снизить потребление дизельного топлива, облегчив проблему северного завоза, при этом автоматически снизив выбросы углекислого газа, что напрямую соответствует стратегии научно технического развития Российской Федерации по направлению Н2 Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки энергии. В целом потенциальный рынок энергоустановок на базе топливных элементов с дизельным топливным процессором можно оценить в десятки миллионов устройств ежегодно.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---