energyЭнергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГENERGETIKA. Proceedings of CIS higher education institutions and power engineering associations1029-74482414-0341BNTU10.21122/1029-7448-2022-65-2-127-142energy-2150Research ArticleТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАНEAT POWER ENGINEERINGЭнерготехнологическая установка на базе нагревательной печи прокатного стана с опцией производства водородаEnergy-and-Technology Installation Based on a Rolling Mill Heating Furnace with the Option of Hydrogen ProductionСеднинВ. А.SedninV. A.

Адрес для перепискиСеднин Владимир Александрович –Белорусский национальный технический университет,просп. Независимости, 65/2,220013, г. Минск, Республика Беларусь.Тел.: +375 17 293-92-16pte@bntu.by

Address for correspondenceSednin Vladimir А. – Belаrusian National Technical University,65/2, Nezavisimosty Ave., 220013, Minsk, Republic of Belarus.Tel.: +375 17 293-92-16pte@bntu.by

pte@bntu.byИванчиковЕ. О.IvanchikovE. O.

г. Минск

Minsk

КалийВ. А.KaliyV. A.

г. Минск

Minsk

МартинчукА. Ю.MartinchukA. Y.

г. Минск

Minsk

Белорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus202205042022652127142Copyright © Седнин В.А., Иванчиков Е.О., Калий В.А., Мартинчук А.Ю., 20222022Седнин В.А., Иванчиков Е.О., Калий В.А., Мартинчук А.Ю.Sednin V.A., Ivanchikov E.O., Kaliy V.A., Martinchuk A.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://energy.bntu.by/jour/article/view/2150

Цель исследования – оценка эффективности энерготехнологической установки на базе методической печи прокатного стана с опцией производства водорода. Представлен краткий анализ технологий производства водорода и рассмотрены перспективы их применения в металлургии. Установлено, что для предприятий, имеющих потенциал тепловых отходов, для производства водорода целесообразно применять термохимические технологии. Показаны основные аспекты и особенности термохимических методов производства водорода с позиций выбора количества этапов реализации химических реакций и определения термодинамических условий их проведения. Исследованы условия реализации термохимического цикла медь – хлор Cu–Cl, определен рациональный вариант его реализации с учетом использования тепловых отходов (вторичных энергетических ресурсов) нагревательных печей прокатного стана. Применение эволюционного метода позволило на базе ранее разработанной и исследованной технологической схемы (энерготехнологическая установка в составе нагревательной печи прокатного стана, утилизационной газовой турбины с внешним подводом теплоты с сохранением регенеративной составляющей подогрева воздуха-окислителя) синтезировать схему энерготехнологической установки с включением в нее технологического блока, реализующего гибридный термохимический цикл медь – хлор Cu–Cl для разделения воды на водород и кислород с использованием тепловых вторичных энергоресурсов и выработанной утилизационной газовой турбинной установкой электроэнергии. Разработана математическая модель макроуровня. Проведенные тестовые численные эксперименты показали высокую энергетическую перспективность разработанной энерготехнологической установки, коэффициент использования топлива которой находится в диапазоне 75–90 %. Коэффициент химической регенерации энергии топлива для тестового режима составил 11,3 %. В результате численного исследования доказана перспективность разработок в части развития технологий производства водорода с применением термохимических циклов и использования высокотемпературных тепловых вторичных ресурсов.

The aim of the study was to evaluate the efficiency of an energy-and-technology unit based on a continuous furnace of a rolling mill with an option for hydrogen production. A brief analysis of hydrogen production technologies and the prospects of their application in metallurgy are presented. It has been determined that as for enterprises with the potential of thermal waste, the use of thermochemical technologies is promising for the production of hydrogen. The main aspects and features of thermochemical methods of hydrogen production are shown from the standpoint of choosing the number of stages of chemical reactions implementation and determining the thermodynamic conditions for their conduct. The conditions for the implementation of the copper-chlorine Cu–Cl thermochemical cycle were investigated, and a rational variant of its implementation has been determined, taking into account the use of thermal waste (secondary energy resources) of the heating furnaces of the rolling mill. The application of the evolutionary method made it possible, on the basis of the technological scheme (which had been previously developed and investigated, and consisted of an energy-and-technological installation as a part of a rolling mill of a heating furnace and a utilization gas turbine with external heat supply that maintains the regenerative component of heating the air oxidizer), to synthesize a scheme of an energy-and-technological installation with the inclusion of a technological unit implementing a hybrid thermochemical copper-chlorine Cu–Cl cycle for separating water into hydrogen and oxygen using thermal secondary energy resources and electricity generated by a utilization gas turbine installation. Mathematical model of the macro level has been developed. The conducted numerical test experiments have shown the high energy prospects of the developed energy-and-technology installation, the fuel utilization rate of which is in the range of 75–90 %. The coefficient of chemical regeneration of fuel energy for the test mode was 11.3 %. As a result of numerical research, the prospects of developments under consideration in terms of the development of hydrogen production technologies with the use of thermochemical cycles and the high-temperature thermal secondary resources have been proved.

топливометаллургияэкологиязеленая энергетикаисточники энергиитепловые отходырегенерацияутилизацияэнергоэффективностьтермохимический цикл Cu–Clматематическая модельматериальный балансэнергетический балансгазотурбинная установкаэнерготехнологическая установкаfuelmetallurgyecologygreen energyenergy sourcesthermal wasteregenerationutilizationenergy efficiencythermochemical cycle Cu–Clmathematical modelmaterial balanceenergy balancegas turbine installationenergy-and-technology installationReferences. Седнин, В. А. Место водорода в современных энерготехнологических метасистемах. Ч. 1. Производство и потребление водорода в промышленном секторе / В. А. Седнин, А. А. Абразовский // Энергоэффективность. 2020. № 10. С. 22–25.Sednin V. A., Abrazovskii A. A. (2020) The Role of Hydrogen in Modern Energy Technological Metasystems. Part 1. Production and Consumption of Hydrogen in the Industrial Sector. Energoeffektivnost' [Energy Efficiency], (10), 22–25 (in Russian).Седнин, В. А. Место водорода в современных энерготехнологических метасистемах. Ч. 2. Водород в интегрированной энергосистеме / В. А. Седнин, А. А. Абразовский // Энергоэффективность. 2020. № 11. С. 20–24.Sednin V. A., Abrazovskii A. A. (2020) The Role of Hydrogen in Modern Energy Technological Metasystems. Part 2. Hydrogen in an Integrated Power System. Energoeffektivnost' [Energy Efficiency], (11), 20–24 (in Russian).Место водорода в современных энерготехнологических метасистемах. Ч. 3. Водород в качестве топлива для энергетических систем / В. А. Седнин [и др.] // Энергоэффективность. 2021. № 5. С. 16–21.Sednin V. A., Abrazovskii A. A., Kuz'mich K. A., Ivanchikov E. O. (2021) The Role of Hydrogen in Modern Energy Technological Metasystems. Part 3. Hydrogen as a Fuel for Energy Systems. Energoeffektivnost' [Energy Efficiency], (5), 16–21 (in Russian).Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию / Т. Митрова [и др.]. Сколково: Центр энергетики Моск. шк. управл. СКОЛКОВО, 2019. 62 c.Mitrova T., Mel'nikov Yu., Chugunov D., Glagoleva A. (2019) Hydrogen Economy as the Way to Low-Carbon Development. Skolkovo, Energy Center of Moscow SKOLKOVO School of Management. 62 (in Russian).Радченко, Р. В. Р15 Водород в энергетике / Р. В. Радченко, А. С. Мокрушин, В. В. Тюльпа. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. 229 с.Radchenko R. V., Mokrushin A. S., Tyul'pa V. V. (2014) P15 Hydrogen in Power Engineering. Yekaterinburg, Ural University Publ. 229 (in Russian).Safari, F. A Review and Comparative Evaluation of Thermochemical Water Splitting Cycles for Hydrogen Production / F. Safari, I. Dincer // Energy Conversion and Management. 2020. Vol. 205. 112182. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112182.Safari F., Dincer I. (2020) A Review and Comparative Evaluation of Thermochemical Water Splitting Cycles for Hydrogen Production. Energy Conversion and Management, 205, 112182. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112182.The Future of Hydrogen. Seizing Today’s Opportunities [Electronic Resource] / International Energy Agency. Japan, 2019. Mode of access: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen.International Energy Agency (2019) The Future of Hydrogen. Seizing Today’s Opportunities. Japan. Available at: https://www.iea.org/reports/the-future-of-hydrogen.Roeb, M. Fuels – Hydrogen Production: Thermochemical Cycles / M. Roeb, C. Sattler // Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. Elsevier, 2009. P. 384–393. https://doi.org/10.1016/b978-044452745-5.00320-8.Roeb M., Sattler C. (2009) Fuels – Hydrogen Production: Thermochemical Cycles. Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. Elsevier, 384–393. https://doi.org/10.1016/b978-044452745-5.00320-8.Canada’s Program on Nuclear Hydrogen Production and the Thermochemical Cu–Cl Cycle / G. F. Naterer [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. 2010. Vol. 35, Iss. 20. P. 10905–10926. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.07.087.Naterer G. F., Suppiah S., Stolberg L., Lewis M., Wang Z., Daggupati V. [et al.] (2010) Canada’s Program on Nuclear Hydrogen Production and the Thermochemical Cu–Cl Cycle. International Journal of Hydrogen Energy, 35 (20), 10905–10926. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.07.087.Progress of International Hydrogen Production Network for the Thermochemical Cu–Cl Cycle / G. F. Naterer [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. 2013. Vol. 38, Iss. 2. P. 740–759. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.10.023.Naterer G. F., Suppiah S., Stolberg L., Lewis M., Wangd Z., Dincer I. [et al.] (2013) Progress of International Hydrogen Production Network for the Thermochemical Cu–Cl Cycle. International Journal of Hydrogen Energy, 38 (2), 740–759. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.10.023.Progress in Thermochemical Hydrogen Production with the Copper – Chlorine Cycle / G. F. Naterer [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. 2015. Vol. 40, Iss. 19. P. 283–295. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.02.124.Naterer G. F., Suppiah S., Stolberg L., Lewis M., Wang Z., Rosen M. A. [et al.] (2015) Progress in Thermochemical Hydrogen Production with the Copper – Chlorine Cycle. International Journal of Hydrogen Energy, 40 (19), 283–295. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.02.124.Orhan, M. F. Conceptual Design, Analysis and Optimization of Nuclear-Based Hydrogen Production Via Copper-Chlorine Thermochemical Cycles / M. F. Orhan. Ontario, 2011. 264 р.Orhan M. F. (2011) Conceptual Design, Analysis and Optimization of Nuclear-Based Hydrogen Production Via Copper – Chlorine Thermochemical Cycles. Ontario. 264.Dincer, I. Overview of Hydrogen Production Research in the Clean Energy Research Laboratory (CERL) at UOIT / I. Dincer, G. F. Naterer // International Journal of Hydrogen Energy. 2014. Vol. 39, Iss. 35. P. 20592–20613. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.06.074.Dincer I., Naterer G. F. (2014) Overview of Hydrogen Production Research in the Clean Energy Research Laboratory (CERL) at UOIT. International Journal of Hydrogen Energy, 39 (35), 20592–20613. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.06.074.Recent Canadian Advances in Nuclear-Based Hydrogen Production and the Thermochemical Cu–Cl Cycle / G. Naterer [et al.] // International Journal of Hydrogen Energy. 2009. Vol. 34, Iss. 7. P. 2901–2917. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.01.090.Naterer G., Suppiah S., Lewis M., Gabriel K., Dincer I., Rosen M. A. [et al.] (2009) Recent Canadian Advances in Nuclear-Based Hydrogen Production and the Thermochemical Cu–Cl Cycle. International Journal of Hydrogen Energy, 34 (7), 2901–2917. https://doi.org/10.1016/ j.ijhydene.2009.01.090.Седнин, В. А. Анализ эффективности регенеративно-утилизационной схемы с воздушной газотурбинной установкой на базе нагревательной печи прокатного стана / В. А. Седнин, Е. О. Иванчиков, В. А. Калий // Энергоэффективность. 2021. № 9. C. 25–29.Sednin V. A., Ivanchikov E. O., Kalii V. A. (2021) Analysis of the Efficiency of a Regenerative-Utilization Scheme with an Air Gas Turbine Installation Based on a Rolling Mill Heating Furnace. Energoeffektivnost' [Energy Efficiency], (9), 25–29 (in Russian).Седнин, В. А. Анализ и параметрическая оптимизация энерготехнологических установок на базе силового оборудования компрессорных станций магистральных газопроводов / В. А. Седнин, А. А. Абразовский // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2017. Т. 60, № 6. С. 571–583. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-6-571-583.Sednin V. А., Abrazovskii А. А. (2017) Analysis and Parametric Optimization of Energy-and-Technology Units on the Basis of the Power Equipment of Compressor Plants of Main Gas Pipelines. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 60 (6), 571–583. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2017-60-6-571-583 (in Russian).The Hybrid Cu–Cl Thermochemical Cycle. I. Conceptual Process Design and H2A Cost Analysis. II. Limiting the Formation of CuCl During Hydrolysis / M. S. Ferrandon [et al.] // Extended Abstract Submitted for the NHA Annual Hydrogen Conference 2008. Sacramento, 2008. Vol. 10. P. 3310–3326.Ferrandon M. S., Lewis M. A., Tatterson D. F., Nankani R. V., Kumar M., Wedgewood L. E. (2008) The Hybrid Cu–Cl Thermochemical Cycle. I. Conceptual Process Design and H2A Cost Analysis. II. Limiting the Formation of CuCl During Hydrolysis. Extended Abstract Submitted for the NHA Annual Hydrogen Conference 2008. Sacramento, 10, 3310–3326.Orhan, M. F. Process Simulation and Analysis of a Five‐Step Copper – Chlorine Thermochemical Water Decomposition Cycle for Sustainable Hydrogen Production / M. F. Orhan, I. Dincer, M. A. Rosen // International Journal of Energy Research. 2014. Vol. 38, Iss. 11. P. 1391–1402. https://doi.org/10.1002/er.3148.Orhan M. F., Dincer I., Rosen M. A. (2014) Process Simulation and Analysis of a Five‐Step Copper – Chlorine Thermochemical Water Decomposition Cycle for Sustainable Hydrogen Production. International Journal of Energy Research, 38 (11), 1391–1402. https://doi.org/10.1002/er.3148.Сорока, Б. С. Эффективность использования газового топлива и окислительной смеси при их увлажнении / Б. С. Сорока, Н. В. Воробьев // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2019. Т. 62, № 6. С. 547–564. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-6-547-564.Soroka B. S., Vorobyov N. V. (2019) Efficiency of the Use of Humidified Gas Fuel and Oxidizing Mixture. Enеrgеtika. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii i Energeticheskikh Ob’edinenii SNG = Energetika. Proceedings of CIS Higher Education Institutions and Power Engineering Associations, 62 (6), 547–564. https://doi.org/10.21122/1029-7448-2019-62-6-547-564 (in Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.