Энергетические особенности CO₂-циклов при кислородном сжигании метанола

ЦЕЛЬ работы заключается в определении массо-расходных характеристик рабочих веществ и энергетических показателей установки на основе СО₂-цикла с двухступенчатым повышением давления (цикла Аллама) при кислородном сжигании метанола.

МЕТОДЫ. Представлена методика, в которой массо-расходные характеристики рабочих веществ определяют на основе реакций горения и синтеза метанола и электролиза воды. Эти реакции являются основными для обеспечения рабочих процессов в установке. В основе метода лежат мольные соотношения веществ, участвующих в реакциях при стехиометрических условиях. С использованием термодинамических параметров цикла и при заданной мощности установки определяют расходы рабочего тела, долю обновления углекислоты, количество метанола, получаемого в установке синтеза, количество свежего метанола, подводимого к циклу, количество водорода, получаемого в установке электролиза воды и количество кислорода, необходимого для процессов горения топлива. Одновременно определяют количество коммерческого водорода, то есть выводимого на склад. Затраты электроэнергии на определение мощности собственных нужд определяют по нормативными методам и данным заводов изготовителей оборудования.

РЕЗУЛЬТАТЫ. Показано, что при близких значениях термических КПД СО₂-циклов на основе кислородного сжигания метана и метанола у последнего количество углекислоты, выводимой из цикла на захоронение на 11% меньше. Показано, что СО2-цикл, работающий на метаноле, одновременно с выработкой электроэнергии способен вырабатывать коммерческий водород. Удельные затраты электроэнергии на его производство составят на ~22 % меньше, чем при производстве без сочетания с СО₂-циклом.

1. Sanz., W., Jericha, H., Moser, M., Heitmeir, F., 2004, "Thermodynamic and Economic Investigation of an Improved Graz Cycle Power Plant for CO2 Capture", ASME Paper GT2004-53722, ASME Turbo Expo 2004, Vienna, Austria. (Conference presentation).

2. Wimmer, K., Sanz, W., 2020, "Optimization and comparison of the two promising oxy-combustion cycles NET Power cycle and Graz Cycle “, International Journal of Greenhouse Gas Control 99 (2020), 103055 (DOI).

3. Парогазовые установки с полным улавливанием диоксида углерода для чистой энергетики / В.В. Даценко, Ю.А. Зейгарник, Е.А. Калашникова, А.А. Косой, А.С. Косой, М.В. Синкевич // Теплофизика и аэромеханика, 2020, том 27, № 5. - С. 1-8.

4. R.J. Allam, J.E. Fetvedt, B.A. Forrest and D.A. Freed, “The oxy-fuel, supercritical CO2 Allam Cycle: New cycle developments to produce even lower-cost electricity from fossil fuels without atmospheric еmissions,” in ASME Turbo Expo 2014: Turbine Technical Conference and Exposition (American Society of Mechanical Engineers, 2014).

5. R. Allam, S. Martin, B. Forrest, J. Fetvedt, X. Lu, D. Freed and J. Manning, Demonstration of the Allam Cycle: an update on the development status of a high efficiency supercritical carbon dioxide power process employing full carbon capture, ENRGY PROCED, Letters 114, 5948-5966 (2017).

6. Zero Emissions Power from Natural Gas. NET Power Performance Data. - https://netpower.com/wp-content/uploads/2021/05/2021-NET-Power-Performance-Data-1-pager.pdf. - Чтение с экрана.

7. Разработка методики предварительного расчета проточной части газовых турбин цикла R.J. Allam на сверхкритическом диоксиде углерода / А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, В.О. Киндра, С.К. Осипов, С.А. Павлычев // «Вестник ИГЭУ» Вып. 3 2018 г. - С. 5-14.

8. Thermodynamic features of the regenerative system of direct fired sCO2 power cycles with oxygen combustion of methane / I.S. Sadkin, P.A. Shchinnikov. – DOI 10.1016/j.applthermaleng.2023.121301. – Text : direct // Applied Thermal Engineering. – 2023. – Vol. 234. – Art. 121301.

9. Zhu, Z., Chen, Y., Wu, J., Zhang, S., Zheng, S.: A modified Allam cycle without compressors realizing efficient power generation with peak load shifting and CO2 capture. Energy. 174, 478–487 (2019). https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.01.165.

10. Концептуальная схема парогазовой установки с полным улавливанием диоксида углерода из продуктов сгорания / А.С. Косой, Ю.А. Зейгарник, О.С. Попель, М.В. Синкевич, С.П. Филиппов, В.Я. Штеренберг // Теплоэнергетика, 2018. - С. 1-10.

11. Садкин И.С., Щинников П.А. Способ производства электроэнергии на основе закритического СО2-цикла. – Патент на изобретение RU2810854 С1, 28.12.2023. Заявка от 06.07.2023.

12. Modeling methods for oxy-fuel combustion cycles with multicomponent working fluid / Andrey Rogalev, Vladimir Kindra and Sergey Osipov // AIP Conference Proceedings 2047, 020020 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5081653.

13. Michel Moliere, Romain Privat, Jean-Noel Jaubert, Frederic Geiger Supercritical CO2 Power Technology: Strengths but Chellenges. – Energies 2024, 17, 1129. https://doi.org/10.3390/en17051129.

14. Effect of thermodynamic parameters on energy characteristics of CO2 power cycles during oxygen combustion of methane / S.V. Alekseenko, P.A. Shchinnikov, I.S. Sadkin. – DOI [10]1134/S0869864323010109. – Text : direct // Thermophysics and Aeromechanics. – 2023. – Vol. 30, iss. 1. – P. 83–92.

15. Sanz, W., Braun, M., Jericha, H., Platzer, M.F., 2016, "Adapting the Zero-Emission Graz Cycle for Hydrogen Combustion and Investigation of its Part Load Behaviour“, ASME Paper GT2016-57988, ASME Turbo Expo 2016, Seoul, South Korea (Conference presentation).

16. Влияние термодинамических параметров на мощность воздухоразделительной установки в цикле Аллама / П.А. Щинников, Е.М. Корепанова. – DOI 10.30724/1998-9903-2023-25-1-74-81. // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 74–81.

17. The 8th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium will be held in San Antonio, Texas, February 26-29, 2024 / February 26 – 29, 2024 Hilton Palacio del Rio 200 South Alamo Street San Antonio, Texas. - https://co2olheat-h2020.eu/wp-content/uploads/2024/03/2024-sCO2-symposium_detailedagenda-4.pdf - Чтение с экрана. Дата обращения 16.05.2024.

18. Allam Cycle Zero Emission Coal Power / Reference Number: 89243319CFE000015 Coal-Based Power Plants of the Future. - May 19th, 2020. - https://netl.doe.gov/sites/default/files/2020-06/8-Rivers-Capital-Final-Pre-FEED-Report-Allam-Cycle-Coal-%208924331RFE000015-Public-Version-May-19.pdf. - Чтение с экрана. Дата обращения 16.05.2024.

19. U.S. Department of Energy Invests $7 Million for Projects to Advance Coal Power Generation under Coal FIRST Initiative. NETL, October 11, 2019 - https://netl.doe.gov/node/9282 - Чтение с экрана. Дата обращения 16.05.2024.

20. NET Power's CO2 cycle: the breakthrough that CCS needs. Modern Power System. - //https://web.archive.org/web/20161130185339/http://www.modernpowersystems.com/features/featurenetpowers-co2-cycle-the-breakthrough-that-ccs-needs/featurenet-powers-co2-cycle-the-breakthrough-that-ccsneeds-3.html. - Чтение с экрана.

21. High efficiency and low cost of electricity generation from fossil fuels while eliminating atmospheric emissions, including carbon dioxide / Allam R.J. et al. // Energy Procedia. – 2013. – T. 37. – P. 1135–1149.

22. Разработка методики предварительного расчета проточной части газовых турбин цикла R.J. Allam на сверхкритическом диоксиде углерода / А.Н. Рогалев, Е.Ю. Григорьев, В.О. Киндра, С.К. Осипов, С.А. Павлычев // «Вестник ИГЭУ» Вып. 3, 2018 г. - С. 5-14.

23. Сравнительный анализ расходов топлива перспективными энергетическими установками на основе СО2-циклов / П.А. Щинников, Е.М. Корепанова // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2023. – Т. 15, № 3 (59). – С. 94–106. – Работа выполнена: Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-00035, https://rscf.ru/project/23-29-00035/.

24. Исмагилов З.И., Пармон В.Н. Каталитические методы переработки углекислого газа. – 10 прорывных идей в энергетике на следующие 10 лет. Глобальная энергия, 2021. – С. 49-67.