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

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 проекта 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

Руководитель Снытников 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

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова водород, 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

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Потребность в автономных источниках электрической энергии на сегодняшний день обусловлена развитием промышленности, созданием специальных объектов и объектов народного хозяйства в отдаленных регионах страны, активным освоением Арктики и Дальневосточного региона России, строительством крупных газопроводов для транспортировки газа в страны Европы и Азии, ростом инфраструктуры городов, появлением большого количества коттеджных поселков, фермерских хозяйств. Имеющиеся в настоящее время коммерчески доступные энергоустановки киловаттного класса по своим техническим и эксплуатационным характеристикам уступают новым устройствам – электрохимическим генераторам на основе топливных элементов. Одной из основных проблем, сдерживающих внедрение энергоустановок на основе топливных элементов в повседневную жизнь, пока остается их стоимость и доступность используемого топлива. Представляется крайне важным для начального, «переходного» периода иметь коммерчески доступный продукт, позволяющий работать на привычном для конечного потребителя углеводородном сырье – в первую очередь на дизеле, логистика которого уже отлажена, и оно распространено, в том числе, в структурах и объектах Министерства обороны РФ. 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. К сожалению, на рынке до сих пор отсутствует коммерчески доступный продукт - катализатор конверсии реального дизельного топлива и, соответственно, топливный процессор, удовлетворяющий потребностям потребителя и позволяющий получать водородсодержащий газ состава и качества, приемлемого для питания топливных элементов. Трудности в создании катализатора вызваны многокомпонентностью дизельного топлива, состоящего из нескольких сотен индивидуальных веществ, относящихся к разным классам органических соединений, имеющих различную реакционную способность. Сложность проведения конверсии также заключается в достаточно узком интервале температур и реакционных условий, при которых можно если не исключить, то, по крайней мере, минимизировать протекание процессов зауглероживания катализатора, приводящих к снижению его активности. Деградационные процессы также возникают из-за спекания активного компонента в условиях довольно высоких температур (650-1000 оС), отравления каталитическими ядами, в первую очередь, серой, содержащейся в дизельном топливе от нескольких ppm (марки, соответствующие ЕВРО-5) до нескольких сотен, а иногда и тысяч ppm (войсковые сорта, судовой дизель). 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. Таким образом, разработка предлагаемой в проекте технологии значительно расширяет 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. 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. С учетом многокомпонентности дизеля, совершенно ясно, что и катализатор должен быть многокомпонентным, сформированный таким образом, чтобы каждый из активных компонентов наилучшим образом отвечал за конверсию определенного типа органических соединений, входящих состав дизельного топлива. В условиях автотермической конверсии дизеля по длине слоя катализатора значительно изменяется как состав реакционной смеси, так и температура процесса, поэтому и катализатор должен состоять из нескольких частей – слоев. При этом должна обеспечиваться высокая теплопроводность структуры катализатора 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). Высокая теплопроводность структуры катализатора будет достигаться за счет металлической основы из фехралевой сетки. Такой подход к дизайну катализатора автотермической конверсии дизельного топлива будет применен впервые.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рогожников В.Н., Кузин Н.А., Снытников П.В., Потемкин Д.И., Шойнхорова Т.Б., Симонов П.А., Шилов В.А., Рубан Н.В., Куликов А.В., Собянин В.А. Design, scale-up, and operation of a Rh/Ce0.75Zr0.25O2-δ-ƞ-Al2O3/FeCrAl alloy wire mesh honeycomb catalytic module in diesel autothermal reforming Chemical Engineering Journal, V. 374, P.511-519 (год публикации - 2019)
10.1016/j.cej.2019.05.205

2. Рогожников В.Н., Потемкин Д.И., Рубан Н.В., Шилов В.А., Саланов А.Н., Куликов А.В., Симонов П.А., Герасимов Е.Ю., Собянин В.А., Снытников П.В. Post-Mortem Characterization of Rh/Ce0.75Zr0.25O2/Al2O3/FeCrAl Wire Mesh Composite Catalyst for Diesel Autothermal Reforming Materials Letters, V.257. 126715:1-3 (год публикации - 2019)
10.1016/j.matlet.2019.126715

3. Шилов В.А., Рогожников В.Н., Рубан Н.В., Потемкин Д.И., Шашков М.В., Собянин В.А., Снытников П.В. Biodiesel and Hydrodeoxygenated Biodiesel Autothermal Reforming over Rh-Containing Structured Catalyst Catalysis Today (год публикации - 2020)
10.1016/j.cattod.2020.06.080

4. Потемкин Д.И., Рогожников В.Н., Рубан Н.В., Шилов В.А., Симонов П.А., Шашков М.В., Собянин В.А., Снытников П.В. Comparative Study of Gasoline, Diesel and Biodiesel Autothermal Reforming over Rh-Based FeCrAl-Supported Composite Catalyst International Journal of Hydrogen Energy, N49, V.45, P.26197-26205 (год публикации - 2020)
10.1016/j.ijhydene.2020.01.076

5. Зажигалов С.В., Рогожников В.Н., Снытников П.В., Потемкин Д.И., Симонов П.А., Шилов В.А., Рубан Н.В., Куликов А.В., Загоруйко А.Н., Собянин В.А. Simulation of Diesel Autothermal Reforming over Rh/Ce0.75Zr0.25O2-δ-η-Al2O3/FeCrAl Wire Mesh Honeycomb Catalytic Module Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, V. 150, P. 107876 (год публикации - 2020)
10.1016/j.cep.2020.107876

6. Зажигалов С.В., Шилов В.А., Рогожников В.Н., Потемкин Д.И., Собянин В.А., Загоруйко А.Н., Снытников П.В. Modeling of Hydrogen Production by Diesel Reforming over Rh/Ce0.75Zr0.25O2‐δ‐ƞ‐Al2O3/FeCrAl Wire Mesh Honeycomb Catalytic Module Catalysis Today, V. 378, P.240-248 (год публикации - 2021)
10.1016/j.cattod.2020.11.015

7. Шилов В.А., Рогожников В.Н., Зажигалов С.В., Потемкин Д.И., Беляев В.Д., Шашков М.В., Загоруйко А.Н., Собянин В.А., Снытников П.В. Operation of Rh/Ce0.75Zr0.25O2-δ-ƞ-Al2O3/FeCrAl Wire Mesh Honeycomb Catalytic Modules in Diesel Steam and Autothermal Reforming International Journal of Hydrogen Energy, V. 46, N. 72, P.35866-35876 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijhydene.2021.02.092

8. Рубан Н.В., Потемкин Д.И., Рогожников В.Н., Шефер К.И., Снытников П.В., Собянин В.А. Rh- and Rh–Ni–MgO-Based Structured Catalysts for on-Board Syngas Production via Gasoline Processing International Journal of Hydrogen Energy, V.46, N.72, P. 35840-35852 (год публикации - 2021)
10.1016/j.ijhydene.2021.01.183

Публикации