RU162790U1

RU162790U1 - HOT BOXING AT HIGH TEMPERATURE SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS

Info

Publication number: RU162790U1
Application number: RU2015132516/07U
Authority: RU
Inventors: Никита Сергеевич Плотников; Юлия Владимировна Волкова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Уральская производственная компания"
Priority date: 2015-08-04
Filing date: 2015-08-04
Publication date: 2016-06-27

Abstract

1. Горячий бокс на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах, содержащий расположенные в теплоизолированном корпусе риформер, горелку дожигания, отличающийся тем, что дополнительно содержит топливную батарею, эжектор, горелку стартового разогрева, два теплообменника, при этом теплоизолированный корпус снабжен входом для подачи воздуха, входом для подачи природного газа, выходом для выхлопных газов и выводами клемм топливной батареи, причем вход для подачи воздуха и вход для подачи природного газа сообщены трубопроводом с эжектором, при этом вход для подачи воздуха сообщен с эжектором через средство для регулирования количества воздуха и первый теплообменник, эжектор, риформер, топливная батарея и горелка дожигания последовательно соединены трубопроводом, при этом выход риформера соединен с входом анодного канала топливной батареи, а выход анодного канала и выход катодного канала топливной батареи каждый соединен с входом горелки дожигания, вход для подачи воздуха через второй теплообменник соединен трубопроводом с входом катодного канала топливной батареи, к которому подключен датчик температуры, вход горелки стартового разогрева соединен трубопроводами с входом для подачи воздуха и входом для подачи природного газа через клапан для регулирования расхода воздуха и клапан для регулирования расхода природного газа соответственно, выход горелки дожигания и выход горелки стартового разогрева каждый сообщены трубопроводами последовательно со вторым и первым теплообменниками и выходом выхлопных газов.2. Горячий бокс по п. 1, отличающийся тем, что риформер выполнен в виде трубчатого теплообменника.1. A hot box on high-temperature solid oxide fuel cells, comprising a reformer located in a thermally insulated housing, an afterburner, characterized in that it further comprises a fuel battery, an ejector, a start heater burner, two heat exchangers, while the thermally insulated body is equipped with an air inlet, an input for natural gas supply, an outlet for exhaust gases and terminals of the fuel battery terminals, wherein the air inlet and the natural gas inlet are in communication with an ejector, wherein the air inlet is in communication with the ejector through means for controlling the amount of air and the first heat exchanger, ejector, reformer, fuel battery and afterburner are connected in series by the pipeline, while the reformer output is connected to the input of the anode channel of the fuel battery, and the output of the anode channel and the output of the cathode channel of the fuel battery is each connected to the input of the afterburner, the input for supplying air through the second heat exchanger is connected by a pipe to the input of the cathode channel of the fuel the battery to which the temperature sensor is connected, the input of the start-up burner is connected by pipelines to the inlet for air supply and the inlet for supplying natural gas through a valve for regulating the air flow and a valve for regulating the flow of natural gas, respectively, the output of the afterburner and the output of the start-up burner are each communicated pipelines in series with the second and first heat exchangers and the exhaust outlet. 2. Hot box under item 1, characterized in that the reformer is made in the form of a tubular heat exchanger.

Description

Область техники.The field of technology.

Заявляемая полезная модель относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначена для прямого преобразования химической энергии природного газа (метана) в электрическую энергию с использованием высокоактивных катализаторов в условиях эксплуатации на магистральных трубопроводах.The inventive utility model relates to the field of creating autonomous power sources, autonomous power engineering on solid oxide fuel cells for the needs of cathodic protection stations in the transport of oil and gas and is intended for the direct conversion of the chemical energy of natural gas (methane) into electrical energy using highly active catalysts in operating conditions on trunk pipelines.

Уровень техники.The level of technology.

Известно устройство для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую, включающее батарею из трубчатых элементов (Патент США 4,374,184, Edward V. Somers, Arnold О Isenberg, Fuel Cell Generator and Method of Operating Same. Feb. 15, 1983, Int. C1. H01M 8/06, U.S. C1. 429/17; 429/31). Корпус батареи известного устройства включает генерирующую камеру, камеру дожига, которая является также камерой предварительного нагрева воздуха, камеру входящего воздуха и камеру перемешивания реагентов для риформирования топлива и распределения продуктов риформирования. Трубчатые элементы батареи расположены горизонтально, выполнены в виде пробирок из диоксида циркония, закрытые концы которых направлены к камере смешения, а открытые - к камере дожига и нагрева воздуха. Камеры известного устройства разделены перегородками с проходными отверстиями для обеспечения перехода соответствующих газовых потоков между камерами. Дожиг непрореагировавших газов осуществляется непосредственно над топливными элементами. Это приводит, во-первых, к нерациональному использованию освобождающейся тепловой энергии, во-вторых, к ухудшению градиента температуры вдоль топливных элементов. Кроме того, достаточно большая доля топливной смеси, проходит через генераторную камеру, не прореагировав. Все это в совокупности снижает коэффициент полезного действия (КПД) устройства.A device is known for directly converting the chemical energy of fuel into electrical energy, including a tubular cell battery (US Pat. No. 4,374,184, Edward V. Somers, Arnold O Isenberg, Fuel Cell Generator and Method of Operating Same. Feb. 15, 1983, Int. C1. H01M 8/06, US C1. 429/17; 429/31). The battery case of the known device includes a generating chamber, an afterburner, which is also a chamber for preheating air, a chamber for incoming air and a chamber for mixing reagents for fuel reforming and distribution of reforming products. The tubular elements of the battery are arranged horizontally, made in the form of test tubes made of zirconium dioxide, the closed ends of which are directed to the mixing chamber, and the open ones - to the afterburner and air heating chamber. The chambers of the known device are separated by partitions with passage openings to ensure the passage of the corresponding gas flows between the chambers. Unreacted gases are burned directly above the fuel cells. This leads, firstly, to the irrational use of the released heat energy, and secondly, to a deterioration of the temperature gradient along the fuel cells. In addition, a sufficiently large proportion of the fuel mixture passes through the generator chamber without reacting. All this together reduces the efficiency (efficiency) of the device.

Наиболее близким техническим решением является электрохимический генератор, содержащий генераторную камеру с удлиненными электрохимическими элементами, камеру дожига, камеру риформинга топлива с каталитическим материалом, каналы для ввода свежего топлива и воздуха, канал для вывода отработавшего топлива, размещенные в едином теплоизоляционном корпусе, а также смесительную камеру со смесительной насадкой, установленной на входе камеры, объединяющей канал для рециркуляции отработавшего топлива с каналом для ввода топлива. Смесительная камера и смесительная насадка расположены вне основной части электрохимического генератора и отнесены от камеры сгорания и генераторной камеры (ЕПВ №0468698, Н01М 8/06, 1991).The closest technical solution is an electrochemical generator containing a generator chamber with elongated electrochemical elements, a afterburner, a fuel reforming chamber with catalytic material, channels for introducing fresh fuel and air, a channel for withdrawing spent fuel placed in a single heat-insulating housing, and a mixing chamber with a mixing nozzle installed at the inlet of the chamber, combining the channel for recycling spent fuel with a channel for introducing fuel. The mixing chamber and mixing nozzle are located outside the main part of the electrochemical generator and are allocated from the combustion chamber and the generator chamber (EPV No. 0468698, H01M 8/06, 1991).

Недостатком известного генератора является нерациональный расход тепла, низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено тем, что электрохимический генератор предназначен для применения топливных батарей с трубчатыми элементами.A disadvantage of the known generator is irrational heat consumption, low efficiency, which is due to the fact that the electrochemical generator is designed for the use of fuel cells with tubular elements.

Раскрытие полезной модели.Disclosure of a utility model.

Техническая задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - повышение КПД горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.The technical problem to which the claimed utility model is aimed is to increase the efficiency of the hot box on high-temperature solid oxide fuel cells.

Технический результат, на решение которого направлено заявляемое устройство, - повышение КПД горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.The technical result, the solution of which the claimed device is directed, is to increase the efficiency of a hot box on high-temperature solid oxide fuel cells.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в следующем.The essence of the claimed utility model is as follows.

Горячий бокс на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах содержит расположенные в теплоизолированном корпусе риформер, горелку дожигания. В отличие от прототипа, заявляемое устройство дополнительно содержит топливную батарею, эжектор, горелку стартового разогрева, два теплообменника. Теплоизолированный корпус снабжен входом для подачи воздуха, входом для подачи природного газа, выходом для выхлопных газов и выводами клемм топливной батареи. Вход для подачи воздуха и вход для подачи природного газа сообщены трубопроводом с эжектором, при этом вход для подачи воздуха сообщен с эжектором через средство для регулирования количества воздуха и первый теплообменник. Эжектор, риформер, топливная батарея и горелка дожигания последовательно соединены трубопроводом, при этом выход риформера соединен с входом анодного канала топливной батареи, а выход анодного канала и выход катодного канала топливной батареи каждый соединен с входом горелки дожигания. Вход для подачи воздуха через второй теплообменник соединен трубопроводом с входом катодного канала топливной батареи, к которому подключен датчик температуры. Вход горелки стартового разогрева соединен трубопроводами с входом для подачи воздуха и входом для подачи природного газа через клапан для регулирования расхода воздуха и клапан для регулирования расхода природного газа соответственно. Выход горелки дожигания и выход горелки стартового разогрева каждый сообщены трубопроводами последовательно со вторым и первым теплообменниками и выходом выхлопных газов.A hot box on high-temperature solid oxide fuel cells contains a reformer located in a thermally insulated casing, an afterburner. Unlike the prototype, the inventive device further comprises a fuel battery, an ejector, a starting heating burner, two heat exchangers. The heat-insulated casing is equipped with an air inlet, a natural gas inlet, an exhaust outlet and terminals of the fuel battery. The air inlet and the natural gas inlet are in communication with the ejector, the air inlet being in communication with the ejector through means for controlling the amount of air and the first heat exchanger. An ejector, a reformer, a fuel battery, and an afterburner are connected in series by a pipeline, wherein the reformer output is connected to the input of the anode channel of the fuel battery, and the output of the anode channel and the output of the cathode channel of the fuel battery are each connected to the input of the afterburner. The air inlet through the second heat exchanger is connected by a pipe to the input of the cathode channel of the fuel battery, to which the temperature sensor is connected. The inlet of the start-up heating burner is connected by pipelines to the inlet for air supply and the inlet for supplying natural gas through a valve for regulating air flow and a valve for regulating natural gas flow, respectively. The output of the afterburner and the output of the start-up burner are each communicated by pipelines in series with the second and first heat exchangers and the exhaust outlet.

Риформер может быть выполнен в виде трубчатого теплообменника.The reformer can be made in the form of a tubular heat exchanger.

Выполнение риформера в виде трубчатого теплообменника позволяет дополнительно снизить мощность потребления собственных нужд заявляемым устройством, уменьшить потери тепла, а следовательно повысить КПД заявляемого устройства.The implementation of the reformer in the form of a tubular heat exchanger can further reduce the power consumption of own needs of the claimed device, reduce heat loss, and therefore increase the efficiency of the claimed device.

Использование горелки стартового разогрева позволяет уменьшить время стартового разогрева заявляемого горячего бокса, что повышает КПД заявляемого устройства.Using the burner starting heating allows you to reduce the time of starting heating of the inventive hot box, which increases the efficiency of the claimed device.

Использование первого и второго теплообменников позволяет снизить затраты энергии на первоначальный разогрев топливной батареи путем теплопередачи тепловой энергии от уходящих газов из горелки при пуске и от уходящих газов из горелки дожигания при номинальном режиме, что позволяет повысить КПД заявляемого устройства.The use of the first and second heat exchangers allows you to reduce energy costs for the initial heating of the fuel battery by heat transfer from the exhaust gas from the burner during start-up and from the exhaust gas from the afterburner in nominal mode, which allows to increase the efficiency of the claimed device.

Топливная батарея состоит из твердооксидных топливных элементов планарной конструкции в которых протекает прямое электрохимическое окисление синтез-газа, поступающего из риформера в анодный канал топливной батареи, кислородом воздуха, диффундирующим через электролит из катодного канала топливной батареи, с получением постоянного электрического тока, и является обязательным элементом заявляемого устройства, без которого устройство не может работать по назначению.The fuel battery consists of solid oxide fuel cells of a planar design in which direct electrochemical oxidation of the synthesis gas from the reformer to the anode channel of the fuel battery takes place, with atmospheric oxygen diffusing through the electrolyte from the cathode channel of the fuel battery to produce a constant electric current, and is an obligatory element the claimed device, without which the device cannot work as intended.

Риформер предназначен для получения синтез-газа (состав: CO+H₂+N₂) из природного газа путем его каталитической конверсии кислородом, который содержится в атмосферном воздухе и является обязательным элементом заявляемого устройства, без которого устройство не может работать по назначению.The reformer is designed to produce synthesis gas (composition: CO + H ₂ + N ₂ ) from natural gas by its catalytic conversion with oxygen, which is contained in atmospheric air and is an essential element of the claimed device, without which the device cannot work as intended.

Горелка стартового разогрева предназначена для разогрева воздуха, подаваемого в катодный канал топливной батареи и разогрева воздуха, подаваемого в риформер природного газа, при первоначальном запуске энергоустановки.The start-up heating burner is designed to heat the air supplied to the cathode channel of the fuel battery and to heat the air supplied to the natural gas reformer at the initial start-up of the power plant.

Горелка дожигания предназначена для окисления не прореагировавших молекул оксида углерода (СО), метана (СН₄) и водорода (Н₂), содержащихся в уходящих газах анодного канала, а также для поддержания требуемой температуры смеси природного газа и воздуха, подаваемого в риформер для получения синтез-газа, подаваемого ко входу анодного канала топливной батареи в режиме нормальной работы и для поддержания температуры воздуха подаваемого ко входу катодного канала топливной батареи.The afterburner is designed to oxidize unreacted molecules of carbon monoxide (CO), methane (CH ₄ ) and hydrogen (H ₂ ) contained in the exhaust gases of the anode channel, as well as to maintain the required temperature of a mixture of natural gas and air supplied to the reformer to obtain synthesis gas supplied to the input of the anode channel of the fuel battery in normal operation and to maintain the temperature of the air supplied to the input of the cathode channel of the fuel battery.

Второй теплообменник, как система подогрева воздуха, подаваемого на катодный канал топливной батареи, предназначен для регулирования температурного градиента в топливных элементах топливных батарей во всех режимах работы заявляемого устройства.The second heat exchanger, as a system for heating the air supplied to the cathode channel of the fuel battery, is designed to control the temperature gradient in the fuel cells of the fuel batteries in all operating modes of the inventive device.

Первый теплообменник как система подогрева воздуха, идущего в риформер, предназначена для регулирования температурного градиента смеси топлива и воздуха в риформере во всех режимах работы и для эффективного протекания химической реакции каталитического воздушного окисления метана, содержащегося в природном газе.The first heat exchanger as a system for heating the air going to the reformer is designed to control the temperature gradient of the fuel-air mixture in the reformer in all operating modes and for the efficient chemical reaction of the catalytic air oxidation of methane contained in natural gas.

Заявляемое устройство в отличие от прототипа имеет отличительные признаки, а значит, соответствует критерию патентоспособности «новизна».The inventive device, unlike the prototype, has distinctive features, which means that it meets the patentability criterion of "novelty."

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано для энергоснабжения станций катодной защиты при транспорте нефти и газа.The proposed technical solution is industrially applicable, since it can be used for energy supply of cathodic protection stations in the transport of oil and gas.

Краткое описание чертежей.A brief description of the drawings.

Заявляемая полезная модель поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема компоновки горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.The inventive utility model is illustrated by the drawing, which shows a schematic diagram of the layout of the hot box on high-temperature solid oxide fuel cells.

Осуществление полезной моделиUtility Model Implementation

Заявляемый горячий бокс предназначен для прямого преобразования химической энергии природного газа в электрическую энергию с использованием высокоактивных катализаторов путем электроокисления метана и электровосстановления кислорода воздуха.The inventive hot box is intended for the direct conversion of the chemical energy of natural gas into electrical energy using highly active catalysts by electrooxidation of methane and electroreduction of air oxygen.

Горячий бокс на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах содержит расположенные в теплоизолированном корпусе 1 риформер Р, топливную батарею ТБ, горелку дожигания Г2, эжектор Э, горелку стартового разогрева Г1, два теплообменника ТК1 и ТК2. Теплоизолированный корпус 1 снабжен входом для подачи воздуха 2, входом для подачи природного газа 3, выходом для выхлопных газов 4 и выводами клемм топливной батареи 5. Вход для подачи воздуха 2 сообщен трубопроводом (проточный канал 1.2.2) с эжектором Э через тройники Т2, Т1 и средство для регулирования количества воздуха К3 и первый теплообменник ТК1. Вход для подачи природного газа 3 сообщен трубопроводом (проточный канал 2.2) с эжектором Э через тройник Т1. Эжектор Э, риформер Р, топливная батарея ТБ и горелка дожигания Г2 последовательно соединены трубопроводом (не обозначен на чертежах), при этом выход риформера Р соединен с входом анодного канала 6 топливной батареи ТБ, а выход анодного канала 7 и выход катодного канала 8 топливной батареи ТБ каждый соединен с входом горелки дожигания Г2. Вход для подачи воздуха 2 через тройники Т2, ТЗ, второй теплообменник ТК2 соединен трубопроводом (проточный канал 1.2.1) со входом катодного канала 9 топливной батареи ТБ. Вход горелки стартового разогрева Г1 соединен трубопроводами (проточные каналы 1.1 и 2.1 соответственно) с входом для подачи воздуха 2 и входом для подачи природного газа 3 через тройник Т2, клапан для регулирования расхода воздуха К2 и тройник Т1, клапан для регулирования расхода природного газа К1 соответственно. Выход горелки дожигания Г2 и выход горелки стартового разогрева Г1 каждый сообщены трубопроводами (не обозначены на чертежах) последовательно со вторым теплообменником ТК2, первым теплообменником ТК1 и выходом выхлопных газов 4.A hot box on high-temperature solid oxide fuel cells contains a reformer P located in a thermally insulated housing 1, a TB fuel battery, a G2 afterburner, an ejector E, a G1 start-up burner, two heat exchangers TK1 and TK2. The insulated housing 1 is equipped with an air inlet 2, a natural gas inlet 3, an exhaust outlet 4 and terminals of the fuel battery 5. The air inlet 2 is connected by a pipe (flow channel 1.2.2) with an ejector E through T2 tees, T1 and means for regulating the amount of air K3 and the first heat exchanger TK1. The input for supplying natural gas 3 is communicated by a pipeline (flow channel 2.2) with an ejector E through a T1 tee. The ejector E, reformer R, the TB fuel battery and the G2 afterburner are connected in series by a pipe (not shown in the drawings), while the output of the reformer P is connected to the input of the anode channel 6 of the TB fuel battery, and the output of the anode channel 7 and the output of the cathode channel 8 of the fuel battery TB is each connected to the inlet of the G2 afterburner. The inlet for air supply 2 through the tees T2, TK, the second heat exchanger TK2 is connected by a pipeline (flow channel 1.2.1) to the input of the cathode channel 9 of the TB fuel battery. The start-up burner inlet G1 is connected by pipelines (flow channels 1.1 and 2.1, respectively) with an air inlet 2 and an inlet for supplying natural gas 3 through a T2 tee, a valve for regulating the air flow K2 and a tee T1, a valve for regulating the natural gas flow K1, respectively . The output of the G2 afterburner and the output of the G1 start-up burner are each communicated by pipelines (not shown in the drawings) in series with the second heat exchanger TK2, the first heat exchanger TK1 and the exhaust gas outlet 4.

Риформер Р выполнен в виде трубчатого теплообменника.Reformer R is made in the form of a tubular heat exchanger.

На входе риформера Р стоит датчик измерения температуры с максимальной отсечкой 800°C д1, внутри - с максимальной отсечкой 900°C д2. Учитывая критичность технологических процессов, проходящих в топливной батарее ТБ, для контроля значения температуры на выходе риформера Р установлен датчик д3, контролирующий температуру синтез-газа в диапазоне 650-875°C. Для повышения надежности системы и обеспечения дополнительной безопасности персонала и объектов газотранспортной структуры контроллером безопасности дублируются измерения технологических параметров за счет установки дополнительного датчика д4, перед входом в анодный канал 6 топливной батареи ТБ. Для контроля температуры на вход катодного канала 2 установлен датчик температуры д5, который будет передавать информацию - обратную связь, для управления скоростью потока воздуха, подаваемым модулем подачи и отведения технологических газов.At the input of the reformer R there is a temperature measuring sensor with a maximum cut-off of 800 ° C d1, inside - with a maximum cut-off of 900 ° C d2. Considering the criticality of the technological processes taking place in the TB fuel battery, a d3 sensor is installed to control the temperature at the outlet of the reformer R, which controls the temperature of the synthesis gas in the range 650-875 ° C. To increase the reliability of the system and ensure additional safety of personnel and objects of the gas transportation structure, the safety controller duplicates measurements of technological parameters by installing an additional sensor d4, before entering the anode channel 6 of the TB fuel battery. To control the temperature, a temperature sensor d5 is installed at the input of the cathode channel 2, which will transmit information - feedback, to control the air flow rate supplied by the process gas supply and exhaust module.

На выходе из анодного канала 7 топливной батареи ТБ стоят датчики температуры д6 с максимальной отсечкой 840°C и д7 с минимальной отсечкой температуры 200°C.At the exit from the anode channel 7 of the TB fuel battery, there are temperature sensors d6 with a maximum cut-off of 840 ° C and d7 with a minimum cut-off of temperature 200 ° C.

Для контроля температурного режима в горелке дожигания Г2 используют термопары д8, д9, которые имеют максимальные и минимальные значения температур в разрешенном диапазоне.To control the temperature in the G2 afterburner, d8, d9 thermocouples are used, which have maximum and minimum temperatures in the allowed range.

Принцип работы заявляемого устройства заключается в следующем.The principle of operation of the claimed device is as follows.

В случае первоначального запуска используется режим стартового разогрева, который предназначен для запуска и вывода на режим нормальной работы заявляемого горячего бокса при автономном запуске энергетической установки. Через вход для подачи воздуха 2 подается с модуля подачи и отведения технологических газов (не показан на чертежах) окислитель (воздух окружающей среды), который посредством тройника Т2, Т3 и клапана для регулирования расхода воздуха К2 и средства для регулирования количества воздуха К3 распределяется на вход стартовой горелки Г1 (по проточному каналу 1.1), через второй теплообменник ТК2 к входу катодного канала 9 топливной батареи ТБ (проточный канал 1.2.1) и через первый теплообменник ТК1 и эжектор Э на риформер Р (проточный канал 1.2.2).In the case of an initial start-up, the starting warm-up mode is used, which is designed to start and bring the claimed hot box to normal operation when the power plant is launched autonomously. Through the air inlet 2, an oxidizer (ambient air) is supplied from the process gas supply and exhaust module (not shown in the drawings), which is distributed through the tee T2, T3 and a valve for regulating the air flow K2 and means for regulating the amount of air K3 to the inlet the starting torch G1 (through the flow channel 1.1), through the second heat exchanger TK2 to the input of the cathode channel 9 of the TB fuel battery (flow channel 1.2.1) and through the first heat exchanger TK1 and ejector E to the reformer R (flow channel 1.2.2).

Окислитель (воздух), подаваемый во вход для подачи воздуха 2 через второй теплообменник ТК2 к входу катодного канала 9 (проточный канал 1.2.1) и через первый теплообменник ТК1 и эжектор Э на риформер Р (проточный канал 1.2.2) разогревается до диапазона 650-875°C за счет второго теплообменника ТК2 и первого теплообменника ТК1 соответственно. Природный газ через вход для подачи природного газа 3 поступает через тройник Т1 и клапан для регулирования расхода природного газа К1 на вход горелки стартового разогрева Г1 (по каналу 2.1) и через тройник Т1 на риформер Р через эжектор Э (по каналу 2.2).The oxidizing agent (air) supplied to the air inlet 2 through the second heat exchanger TK2 to the input of the cathode channel 9 (flow channel 1.2.1) and through the first heat exchanger TK1 and ejector E to the reformer P (flow channel 1.2.2) is heated to a range of 650 -875 ° C due to the second heat exchanger TK2 and the first heat exchanger TK1, respectively. Natural gas through the inlet for the supply of natural gas 3 enters through a T1 tee and a valve for regulating the flow of natural gas K1 to the inlet of the start-up burner G1 (through channel 2.1) and through a T-tee to reformer P through an ejector E (through channel 2.2).

После достижения температуры воздуха, поступающего во вход катодного канала 9 на уровне 650°C, клапан для регулирования расхода природного газа К1 закрывается, отключая подачу топлива в горелку стартового разогрева Г1.After reaching the temperature of the air entering the inlet of the cathode channel 9 at 650 ° C, the valve for controlling the flow of natural gas K1 closes, turning off the fuel supply to the start-up burner G1.

Эжектор Э смешивает воздух и природный газ подавая их в риформер Р. Риформер Р обеспечивает получение синтез-газа (состав: CO+H2+N2) из природного газа путем его каталитической конверсии кислородом, который содержится в атмосферном воздухе.Ejector E mixes air and natural gas by feeding them to reformer R. Reformer R provides the production of synthesis gas (composition: CO + H2 + N2) from natural gas by its catalytic conversion with oxygen, which is contained in atmospheric air.

Топливная батарея ТБ обеспечивает прямое преобразование химической энергии синтез-газа, подаваемого через вход в анодный канал 6 в анодный канал топливной батареи ТБ из риформера Р в электрическую энергию.The TB fuel battery provides a direct conversion of the chemical energy of the synthesis gas supplied through the input to the anode channel 6 to the anode channel of the TB fuel battery from the reformer R into electrical energy.

Смесь технологических газов, поступающая из выхода анодного канала 7 каждой топливной батареи ТБ и содержащая пары воды, углекислый газ и не вступившие в реакцию молекулы водорода и угарного газа дожигаются в горелке дожигания Г2. Для окисления газов с выхода анодного канала 7 на вход горелки дожигания Г2 и с выхода катодного канала 8 топливной батареи ТБ подается обедненный кислородом воздух, который все еще содержит достаточное количество молекул кислорода, чтобы доокислить не вступившие в реакцию в топливной батареи ТБ.A mixture of process gases from the anode channel 7 of each TB fuel battery and containing water vapor, carbon dioxide and unreacted hydrogen and carbon monoxide molecules is burned in the G2 afterburner. To oxidize gases from the output of the anode channel 7, the oxygen-depleted air is supplied to the input of the afterburner G2 and from the output of the cathode channel 8 of the TB fuel battery, which still contains enough oxygen molecules to oxidize the unreacted TB batteries.

В каталитической горелке дожигания Г2 происходит утилизация не вступившего в реакцию окислителя в топливной батарее ТБ водорода и угарного газа при температуре в диапазоне от 625°C до 1250°C.In the G2 afterburning burner, the unreacted oxidizer in the TB fuel cell uses hydrogen and carbon monoxide at a temperature ranging from 625 ° C to 1250 ° C.

Выхлопные газы с выхода горелки дожигания Г2 и горелки стартового разогрева Г1 через тройник Т4 проходят на второй теплообменник ТК2, где они используются в качестве теплоносителя для разогрева воздуха, подаваемого на вход катодного канала 9 топливной батареи ТБ, далее поступают в первый теплообменник ТК1, где они используются в качестве теплоносителя для разогрева воздуха, подаваемого через эжектор Э на риформер Р, и выводятся через выход для выхлопных газов 4.The exhaust gases from the outlet of the G2 afterburner and the G1 start-up burner through the T4 tee pass to the second heat exchanger TK2, where they are used as a heat carrier for heating the air supplied to the input of the cathode channel 9 of the TB fuel battery, then they enter the first heat exchanger TK1, where they are used as a coolant for heating the air supplied through the ejector E to the reformer R, and are discharged through the exhaust outlet 4.

Как только горелка стартового разогрева Г1 обеспечивает необходимую температуру воздуха на выходе из катодного канала 8, заявляемый горячий бокс переходит в режим нормальной работы.As soon as the start-up heating torch G1 provides the necessary air temperature at the outlet of the cathode channel 8, the inventive hot box goes into normal operation.

Таким образом, горелка стартового разогрева Г1 обеспечивает разогрев воздуха, подаваемого на вход катодного канала 9 топливной батареи ТБ, и воздуха, подаваемого в риформер, при первоначальном запуске энергоустановки за счет использования выхлопных газов в качестве теплоносителя во втором теплообменнике ТК2 и первом теплообменнике ТК1.Thus, the G1 start-up heating burner provides heating of the air supplied to the input of the cathode channel 9 of the TB fuel battery and the air supplied to the reformer when the power plant is initially launched due to the use of exhaust gases as a heat carrier in the second TK2 heat exchanger and the first TK1 heat exchanger.

Горелка дожигания Г2 обеспечивает поддержание требуемой температуры воздуха, подаваемого в риформер Р, и воздуха, подаваемого на вход катодного канала 9 топливной батареи ТБ, в режиме нормальной работы за счет использования выхлопных газов в качестве теплоносителя во втором теплообменнике ТК2 и первом теплообменнике ТК1.The afterburner G2 maintains the required temperature of the air supplied to the reformer R and the air supplied to the input of the cathode channel 9 of the TB fuel battery in normal operation due to the use of exhaust gases as a heat carrier in the second heat exchanger TK2 and the first heat exchanger TK1.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет достичь технического результата - повышение КПД горячего бокса на высокотемпературных твердооксидных топливных элементах.Thus, the claimed device allows to achieve a technical result - an increase in the efficiency of the hot box on high-temperature solid oxide fuel cells.

Claims

1. A hot box on high-temperature solid oxide fuel cells, comprising a reformer located in a thermally insulated housing, an afterburner, characterized in that it further comprises a fuel battery, an ejector, a start heater burner, two heat exchangers, while the thermally insulated body is equipped with an air inlet, an input for natural gas supply, an outlet for exhaust gases and terminals of the fuel battery terminals, wherein the air inlet and the natural gas inlet are in communication with an ejector, wherein the air inlet is in communication with the ejector through means for controlling the amount of air and the first heat exchanger, ejector, reformer, fuel battery and afterburner are connected in series by the pipeline, while the reformer output is connected to the input of the anode channel of the fuel battery, and the output of the anode channel and the output of the cathode channel of the fuel battery is each connected to the input of the afterburner, the input for supplying air through the second heat exchanger is connected by a pipe to the input of the cathode channel of the fuel the battery to which the temperature sensor is connected, the input of the start-up burner is connected by pipelines to the inlet for air supply and the inlet for supplying natural gas through a valve for regulating the air flow and a valve for regulating the flow of natural gas, respectively, the output of the afterburner and the output of the start-up burner are each communicated pipelines in series with the second and first heat exchangers and exhaust gas outlet.

2. Hot box under item 1, characterized in that the reformer is made in the form of a tubular heat exchanger.