Энерготехнологическая установка на базе нагревательной печи прокатного стана с опцией производства водорода

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.

1. . 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.

2. 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.

3. 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.

4. Водородная экономика – путь к низкоуглеродному развитию / Т. Митрова [и др.]. Сколково: Центр энергетики Моск. шк. управл. СКОЛКОВО, 2019. 62 c.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.