Повышение энергетической эффективности высокотемпературных теплотехнологических установок за счет термохимической регенерации теплоты

На правах рукописи

ПАЩЕНКО Дмитрий Иванович ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ЗА СЧЕТ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов – 2011 2

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» доктор технических наук, профессор

Научный консультант:

Щлоков Анатолий Иванович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Печенегов Юрий Яковлевич кандидат технических наук, доцент Тверской Алексей Константинович ГОУ ВПО «Уральский государственный

Ведущая организация:

технический университет», г. Екатеринбург

Защита состоится « 29 » июня 2011 г. в 1000 на заседании диссерта ционного совета Д 212.242.07 при ГОУ ВПО «Саратовский государствен ный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политех ническая, 77, ауд. 159.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической биб лиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический универси тет».

Автореферат размещен на сайте Саратовского государственного тех нического университета www.sstu.ru «27 » мая 2011 г.

Автореферат разослан « 27 » мая 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Е. А. Ларин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы В российской энергетике проблема нерационального использования энергии стоит особенно остро. По подсчетам экспертов потенциал повы шения энергоэффективности в России оценивается около 40%. Высокая удельная энергоемкость российской экономики обусловила появление го сударственных программ по энергосбережению и повышению энергоэф фективности. В соответствии с Указом Президента Российской Федерации «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эф фективности российской экономики»1: необходимо осуществить снижение к 2020 году энергомкость валового внутреннего продукта Российской Фе дерации не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом, а также обеспе чить рациональное и ответственное использование энергии и ресурсов.

Проблема энергосбережения актуальна и для рассматриваемых в работе высокотемпературных теплотехнологических установок (ВТУ), для которых характерна высокая доля тепловых потерь с отходящими дымо выми газами (до 70%). В значительной мере повысить энергоэффектив ность этих установок можно за счет регенерации безвозвратно теряемого тепла. Среди известных способов регенерации тепла необходимо выделить термохимический как наиболее перспективный, т.к. он позволяет обеспе чить практически полную регенерацию теплоты дымовых газов.

Патентно-информационный обзор по теме показал, что наиболее распространенным способом термохимической регенерации (ТХР) тепло ты является ТХР за счет паровой конверсии метана. Однако крупным не достатком такого способа является повышенный, почти в 2 раза по сравне нию со стехиометрическим, удельный расход пара. Достаточно указать, что даже при стехиометрическом расходе пара на конверсию метана энер гетические затраты на его производство составляют 8-10% от располагае мого тепла в рабочей камере ВТУ, что соответственно снижает е КПД. В настоящей диссертационной работе произведено исследование термохи мической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конвер сии природного газа продуктами его полного сгорания. Этот принцип ре генерации теплоты основан на использовании бросовых ресурсов – тепла дымовых газов и их компонентов (Н2О и СО2). Применение этого способа обуславливает появление больших резервов снижения удельной энергоем кости ВТУ.

Целью работы является изучение способа повышения энергетиче ской эффективности ВТУ за счет термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов путем конверсии природного газа продуктами его полного сгорания;

оценка увеличения энергетической эффективности Указ Президента Российской Федерации от 4 июня 2008 года №889 «О некоторых мерах по повыше нию энергетической и экологической эффективности российской экономики».

вследствие применения изученного способа регенерации теплоты на при мере кузнечной печи.

Для достижения поставленной цели был сформулирован ряд взаи мосвязанных задач, в частности:

- разработка энерготехнологических схем термохимической регене рации теплоты дымовых газов за счет конверсии природного газа продук тами его полного сгорания;

- изучение механизма химических реакций, протекающих в термохи мическом реакторе;

определение наиболее вероятных реакций;

- исследование термодинамики процесса ТХР – определение зависи мости количества физической теплоты, трансформированной в химиче скую энергию, от технологических параметров: температуры, давления и состава реакционной смеси;

- разработка математической модели химического реагирования и тепломассообменных процессов, протекающих в реакторе;

- численное исследование распределения концентрации метана и температур по длине канала реакционного элемента термохимического ре актора на основании разработанной математической модели;

- применение полученных результатов исследования для определе ния энергетической эффективности и экономической целесообразности использования предложенных энергосберегающих мероприятий на приме ре кузнечной печи.

Научная новизна:

1. Произведена оценка повышения энергетической и экономической эф фективности работы ВТУ в результате внедрения способа термохими ческой регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конвер сии природного газа продуктами его полного сгорания (на примере кузнечной печи).

2. Для процесса ТХР теплоты за счет конверсии природного газа продук тами его полного сгорания определена зависимость количества физи ческой теплоты трансформированной в химическую энергию от техно логических параметров: температуры, давления и состава реакционной смеси.

3. Впервые определен диапазон изменения технологических параметров для эффективного использования ТХР теплоты отходящих дымовых газов.

4. Разработан и запатентован способ термохимической регенерации теп лоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа вы сокотемпературными продуктами его полного сгорания и устройство для его реализации.

5. Разработана математическая модель термохимического реактора;

про изведено численное исследование процессов, протекающих в термохи мическом реакторе.

Достоверность результатов работы обеспечивается использова нием современных теоретических и экспериментальных данных, высоко точных методов компьютерного моделирования;

хорошей сходимостью численных исследований термодинамики процесса и результатов расчета по одномерной модели процессов, протекающих в термохимическом реак торе.

Практическая значимость работы определяется полученными ре зультатами исследования, которые могут быть использованы при проекти ровании схем термохимической регенерации теплоты ВТУ. На междуна родной выставке НТТМ-2010 и ESE-2010 за НИОКР по проекту «Термо химическая регенерация теплоты» автор был удостоен медали «За успехи в научно-техническом творчестве». Полученные результаты могут быть ис пользованы в учебном процессе технических ВУЗов, ведущих подготовку специалистов по направлениям 140100 «Теплоэнергетика», 150100 «Ме таллургия». Результаты исследования являются основой НИР №510/ «Исследование процесса термохимической регенерации теплоты продук тов сгорания углеводородных газовых смесей», которая была выполнена по заказу Министерства образования и науки РФ.

Основные положения, выносимые на защиту: энерготехнологи ческие схемы использования термохимической регенерации теплоты отхо дящих дымовых газов;

результаты термодинамического расчета процесса термохимической регенерации;

математическая модель процессов, проте кающих в термохимическом реакторе;

результаты расчета энергетической и экономической эффективности использования термохимической регене рации теплоты на примере кузнечной печи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Промыш ленная теплоэнергетика» ГОУ ВПО «Самарский государственный техни ческий университет (Самара, 2008-2010гг.);

Международной научно практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2009);

Всероссийской научно технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2009-2010);

Всероссийской на учно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и мо лодых ученых «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2009);

Международной научно-практической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010-2011);

Международной выставке «Научно техническое творчество молодежи 2010» и «Expo-Science Europe 2010» (Москва, 2010);

Russian – Balkan Forum «Innovations in Education, Science and Technologies» (Serbia, Belgrade, 2010);

Международной научной конференции «Совре менные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их реше ния» (Саратов, 2010);

МИЦ «Система-Саров» (РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров, 2010).

Публикации. Основное содержание работы

изложено в 12 публи кациях, в том числе 6 статей в журналах из перечня ВАК, в 1 патенте на полезную модель.

Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 142 страницах текста, содержащий 35 рисунков, 13 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения в виде коротких выводов, списка использованной литературы из 101 наименования, 4 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформу лирована цель работы, показана научная новизна и практическая ценность, обоснована целесообразность проведнного исследования по повышению энергоэффективности ВТУ. Причинами низкого КПД действующих ВТУ являются высокие потери теплоты с отходящими дымовыми газами (до 70%). Показано, при регенерации этих тепловых потерь существенно уве личивается энергоэффективность ВТУ. Способ термохимической регене рации теплоты отходящих дымовых газов является примером энергосбере гающей, экологически чистой технологии.

В первой главе «Состояние вопроса и перспективы использования термохимической регенерации тепла для повышения эффективности рабо ты энергетических установок» выполнен обзор схем и способов термохи мической регенерации теплоты отходящих дымовых газов для различных энергетических установок, работающих на углеводородном топливе.

Сущность ТХР теплоты отходящих дымовых газов заключается в использовании их физического тепла для предварительной эндотермиче ской переработки исходного углеводородного топлива, которое при этом получает больший запас химически связанной энергии в виде возросшей теплоты сгорания. Если в традиционных ВТУ энергия топлива превраща ется в теплоту в одну стадию путем его непосредственного сжигания, то в установках с ТХР процесс превращения энергии топлива разбивается на две стадии. Первая стадия – нагрев реакционной смеси и проведение эндо термических реакций конверсии исходного топлива, в результате чего происходит увеличение его теплоты сгорания. Вторая – сжигание продук тов реакции, т.е. конвертированного газа, имеющего большую теплоту сгорания по сравнению с исходным топливом.

Показана эффективность использования термохимической регене рации теплоты отходящих дымовых газов в составе различных энергетиче ских установок, работающих на газовом топливе. Приводится информация о том, что при внедрении схем термохимической регенерации теплоты по мимо положительного энергетического эффекта достигается и положи тельный экологический эффект.

Рассмотрены недостатки схем ТХР теплоты за счет паровой конвер сии природного газа. Основным является повышенный, почти в 2 раза по сравнению со стехиометрическим, удельный расход пара. Решением этой проблемы является использование продуктов сгорания, содержащих водя ной пар и углекислый газ, для конверсии исходного топлива.

Рассмотрены перспективы использования ТХР теплоты от ходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа про дуктами его полного сгорания.

Приведены разработанные и за патентованные автором энерго эффективные технические реше ния по использованию данного способа ТХР. Показано, что ос новным преимуществом способа Рис. 1. Принципиальная схема ВТУ с термо термохимической регенерации химической регенерацией теплоты отходя щих дымовых газов теплоты отходящих дымовых га 1 – воздухоподогреватель;

2 – ВТУ;

3 – тер зов за счет конверсии природно мохимический реактор;

a, b, с – отходящие го газа продуктами его полного дымовые газы;

d – природный газ;

e – кон сгорания (рис. 1.) является отсут- вертированный газ;

f – частично охлажден ствие дополнительных энергети- ные дымовые газы;

g – уходящие дымовые ческих затрат на производство газы;

i и h – холодный и горячий воздух, со окислителя (водяного пара) ис- ответственно.

ходного топлива и нагрева его до высокой температуры.

Во второй главе «Термодинамика термохимической регенерации теплоты» установлена функциональная зависимость количества трансфор мированной физической теплоты дымовых газов в химическую энергию конвертированного газа, от технологических параметров: температуры, давления и состава реакционной смеси;

определены диапазоны изменения технологических параметров, при которых возможно эффективное функ ционирование системы ТХР теплоты отходящих дымовых газов.

Механизм процессов, протекающих в термохимическом реакторе, включает в себя ряд эндотермических и экзотермических реакций. За кри терий вероятности протекания реакций были приняты значения изменения энергии Гиббса. Анализ значений энергии Гиббса в интервале температур от 700 до 1400 К показал, что основными реакциями, имеющими место при конверсии природного газа продуктами его полного сгорания, являются реакции паровой (1) и углекислотной (2) конверсии основного компонента природного газа – метана, а также реакция водяного газа (3):

;

(1) ;

(2). (3) В общем виде результирующее химическое уравнение, описывающее кон версию метана продуктами его полного сгорания, имеет вид:

, (4) где a, b, c, d, 2, k – стехиометрические коэффициенты;

Qхим – физическая теплота отходящих дымовых газов, трансформированная в химическую энергию конвертированного газа.

При стехиометрическом расходе компонентов реакции (4) в левой части уравнения Qхим=220,3кДж/моль. Величина Qхим показывает, какое количество физической теплоты отходящих дымовых газов было транс формировано в химическую энергию конвертированного газа. Qхим зави сит от степени конверсии метана 2, равной отношению массы прореагиро вавшего метана и массы метана в сырьевом потоке:

энд, (5) хим где Qэнд(4) – тепловой эффект реакции (4) при стехиометрическом расходе реагирующих компонентов, кДж/моль.

Термодинамический анализ термохимической регенерации теплоты позволил при некотором предположении о режиме протекания процессов в термохимическом реакторе установить функциональную связь между ко личеством трансформированной физической теплоты в химическую энер гию и технологическими параметрами. Для проведения термодинамиче ского анализа были рассмотрены и решены системы уравнений материаль ного баланса и уравнений закона действующих масс.

Схема преобразования потоков веществ в термохи мическом реакторе изобра жена на рис. 2.

Для анализа рассмат Рис. 2. Схема преобразования потоков в термо ривался термохимический ре химическом реакторе актор удовлетворяющий сле дующим условиям:

а) на достаточно протяженном участке реакционного пространства, при мыкающего к выходу реакционной смеси, поддерживается постоянная температура. Это условие позволяет предположить, что в реагирующей смеси установится равновесное соотношение концентраций всех реаги рующих компонентов для реакций (1)-(3);

б) тепловые потери через ограждающие конструкции термохимического реактора отсутствуют;

в) давление газовой смеси в реакционном пространстве постоянно.

Использование этих условий позволяет, основываясь на уравнениях материального баланса и закона действующих масс, провести расчет рав новесной (максимальной) для каждого температурного уровня степени конверсии метана, которая определяет количество химически связанной физической теплоты (5). При анализе также было принято, что в реактор поступают продукты сгорания метана при =1;

при достаточно высоких температурах, поддерживаемых в хо де протекания процес са, компоненты прояв ляют свойства идеаль ного газа в том смысле, что химические потен циалы компонентов определяются их пар циальными давления ми.

На рис. 3. пока заны рассчитанные за висимости максималь- а) ной (равновесной) сте пени конверсии метана от температуры (рис.

3а.) и от отношения (рис. 3б.) при общем давлении в реакцион ном пространстве р=1бар. Параметр ха рактеризует состав ис ходной реакционной смеси =1+2 = (Н2О + СО2):СН4. Из рис. 3а.

видно, что с ростом температуры увеличи вается равновесная (максимальная) сте пень конверсии. Так, б) для =1 (стехиометри- Рис. 3. Зависимость максимальной (равновесной) степе ческий расход компо- ни конверсии метана при р=1бар от температуры (а) и отношения (б) нентов реакции) рав новесная степень конверсии достигает значения, близкого к максимально му, при Т1200К, в тогда как для =6 – при Т960K. Рис. 3б. показывает, что с уменьшением концентрации метана в сырьевом потоке увеличивает ся его равновесная степень конверсии.

Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождаю щихся изменением объема за счет изменения количества вещества при пе реходе от исходных веществ к продуктам, на положение равновесия влияет давление в системе. Так как реакции (1) и (2) протекают с увеличением объема продуктов реакции, равновесная степень конверсии метана будет зависеть от общего давления в реакционном пространстве. Были получены зависимости, согласно которым равновесная степень конверсии метана снижается с ростом давления реакционной смеси, что полностью согласу ется с принципом Ле-Шателье – Брауна.

Теоретически рассчитанные значения максимальной степени кон версии метана продуктами его полного сгорания и соответствующие ей равновесные составы конвертированного газа подтверждаются экспери ментальными исследованиями совместной конверсии метана углекислым газом и водяными парами2. В физическом эксперименте2 достигалось со стояние реагирующих компонентов на выходе из реактора максимально приближенное к равновесному.

Таблица Составы равновесных газовых смесей (верхние значения – эксперимен тальные данные2;

нижние – полученные автором) Состав конвертированного газа, % Температура Исходная смесь реакции, К СО2 СО Н2 Н2О СН 6,64 27,33 52,46 13,49 0, СН4:Н2О:СО2= 6,79 27,16 52,54 13,40 0, =1:1,3:0,7 5,56 28,44 51,53 14,46 0, 5,72 28,28 51,68 14,31 0, Проведенный термодинамический анализ позволил установить, что полное отсутствие метана в конвертированном газе не означает наиболее эффективного режима работы системы термохимической регенерации, т.к.

она должна обеспечивать высокую степень регенерации теплоты дымовых газов путем химического преобразования при достаточно высоких калори метрических свойствах полученного конвертированного газа. Для опреде ления эффективных режимов необходимо выбрать такое значение, при котором выполняются следующие условия:

- количество химически связанной физической теплоты дымовых газов должно быть максимальным;

Lemonidou, A.A. Carbon dioxide reforming of methane over 5wt.% Ni/CaO-Al2O3 catalysis / A.A. Lemonidou, I.A. Vasalos // Applied Catalysis A: General. – 2002. - №228. – Р.227-235.

конвертированный газ должен иметь теплоту сгорания 7…9МДж/м3.

Было установлено, что максимальную эффективность система тер мохимической регенерации теплоты при Т=900К, р=1бар имеет при отно шении эф=2,2. Определение эффективных значений для других темпера турных уровней показал, что с ростом температуры протекания процесса эффективное отношении стремится к стехиометрическому (=1), так при Т=1200К, эф1,0.

Так же было установлено, что для эффективного функционирова ния системы термохимической регенерации теплоты необходимо, чтобы степень конверсии метана в термохимическом реакторе была выше 0,7.

Так, при =2,2 эффективная температура Тэф900К. Верхняя граница эф фективного температурного диапазона определяется термической стойко стью конструкции термохимического реактора.

Эффективным давлением является располагаемое общее давление исходной реакционной смеси, т.к. дополнительные затраты на е компре мирование, приведут к усложнению технологической схемы и снижению энергетической эффективности. Для большинства ВТУ давление отходя щих дымовых газов близко к атмосферному.

В третьей главе «Математическая модель термохимической реге нерации теплоты отходящих дымовых газов» разработано математическое описание процессов, протекающих в термохимическом реакторе;

разрабо тан алгоритм расчета одномерной модели;

и приведены результаты чис ленного исследования, полученные на основании разработанной модели.

Исследование процессов тепломассообмена и химического реаги рования проводилось в реакционном элементе термохимического реактора, схематическое изображение которого показано на рис. 4.

Рис. 4. Схематическое изображение реакционного элемента 1 – исходная реакционная смесь;

2 – каталитическая вставка;

3 – кольцевой канал;

4 – стенка реакционного элемента (РЭ);

5 – греющие дымовые газы;

6 - конвертированный газ.

Реакционная смесь, состоящая из дымовых газов и метана – основ ного компонента природного газа, поступает в реакционный элемент, в ко тором нагревается путем конвекции от стенки РЭ и каталитической встав ки. На каталитической вставке происходят реакции конверсии метана во дяным паром и углекислым газов, которые содержатся в дымовых газах. В разработанной математической модели каталитическая вставка выполнена из катализатора ГИАП-3 (NiO10%, носитель Al2O3), однако модель мож но использовать и для катализаторов других типов при наличии достаточ но точных данных по катализу реакции конверсии.

При разработке математической модели приняты допущения, зна чительно упрощающие расчет, но которые не оказывают существенного влияния на конечные результаты:

- термохимический реактор является реактором идеального вытеснения;

- для потока реакционной смеси можно выделить преимущественное на правление движения;

- изменение теплофизических свойств реакционной смеси поперек пото ка незначительно по сравнению с соответствующими продольными из менениями;

- на расчетном элементарном участке dz=z (рис. 4.) скорость реакцион ной смеси постоянна;

- теплообмен между стенкой реакционного элемента и каталитической вставкой происходит за счет излучения, реакционная смесь нагревается за счет конвективного теплообмена от стенки реакционного элемента и каталитической вставки.

На основе уравнений материального и энергетического балансов, законов химической кинетики реакции конверсии математическое описа ние модели процессов, протекающих в реакционном элементе с учтом принятых допущений, можно представить в виде системы уравнений:

dC i F ri cat кат ;

dz Fрэ u dT 1 ст Tст Tг ст кат Т кат Т г кат кат H j j r j ;

П П г dz uC p г Fг Fг j, (6) 0 n _ кат Tст Tкат Sкат кат Vкат H j j r j кат Tкат Tг Sкат ;

4 j 'ст Tст Tг Sст 0 n _ ст Tдг Tст Sст ст Tст Tг Sст 0 n _ кат Tст Tкат Sкат, 4 4 4 где Ci – концентрация i-го компонента, моль/м3;

ri – скорость образования или расходования i-го вещества, моль/(скгкат);

– степень использования поверхности катализатора;

кат – плотность катализатора, кг/м3;

Fкат, Fрэ – площадь поперечного сечения каталитической вставки и реакционного элемента, соответственно, м2;

u –скорость реакционной смеси, м\с;

(-Hj) – тепловой эффект j-й реакции, кДж/моль;

Sкат, Sст – площадь тепло отдающей/теплопринимающей поверхности каталитической вставки и стенки, соответственно, м2;

Vг – расход реакционной смеси, м3/с;

Ср – теп лоемкость смеси, кДж/(м3.К);

Тг, Тст, Ткат – температура газовой смеси, стенки реакционного элемента, каталитической вставки, К;

г – плотность газовой смеси, кг/м3;

ст, ’ст, кат – коэффициенты теплоотдачи с поверх ности стенки реакционного элемента к реакционной смеси, от греющих дымовых газов к стенке реакционного и от каталитической вставки к греющим дымовым газам, Вт/(м2.К);

n_кат, n_ст – степень черноты катали тической вставки;

0 – постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2К4).

Модель химического реагирования разрабатывалась согласно кинети ческой теории Аррениуса с использованием современных данных по хи мической кинетике и катализу реакций паровой и углекислотной конвер сии метана2,3. Исходные данные для моделирования определены на осно вании данных, полученных в главе II: tдг=10000С, tСН4=200С;

СН4:ДГ=1:3,51. Начальные и граничные условия для модели записаны как:

- входное сечение РЭ (z=0): Тг=Тг(вх), Тдг=Тдг(вх);

Сi=Сi(вх);

- выходное сечение РЭ (z=L): 2=0,75.

Разработанный алгоритм расчета одномерной модели, который был разделен на два модуля. В первом модуле производятся расчеты химиче ских процессов, протекающих в реакционном элементе. Во втором модуле производится сопряжение данных по химической кинетике и теплообмену.

С помощь математической модели установлено, что степень кон версии метана 2=0,75 достигается при прохождении вдоль реакционного элемента 3,2 м для следующих начальных параметров: tдг=10000С, tСН4=200С, СН4:ДГ=1:3,51, u=2м/с;

катализатор ГИАП-3 (NiO10%), dрэ=0,06м, dкат=0,04м. Невязка теплового баланса по всей длине реакцион ного элемента составила 3,6%.

При про хождении реак ционной смеси через реакцион ный элемент происходит из менение состава реакционной смеси. Как было сказано в главе II, степень кон версии метана определяет ко личество физи ческой теплоты Рис. 5. Изменение степени конверсии метана по длине реакци дымовых газов онного элемента трансформированной в химическую энергию конвертированного газа – но вого синтетического топлива. Поэтому особенно важным является знать Hoang, D.L. Modeling of a catalytic autothermal methane reformer for fuel cell application / D.L. Hoang, S.H.

Chan // Applied Catalysis A:General. – 2004. – №268. – P. 207-216.

изменение степени конверсии метана по длине реакционного элемента.

Рис. 5. показывает изменение степени конверсии метана по длине реакци онного элемента. Рис. 5. хорошо показывает, что на начальном участке ре акционного элемента степень конверсии возрастает быстрее, чем на конеч ном участке. Это объясняется тем, что скорость конверсии метана на на чальном участке ([0;

1]м) больше, чем на конечном ([2;

3]м) в 3,5-4 раза.

Распределе ние температур греющих дымовых газов, каталитиче ской вставки и ре акционной смеси по длине реакцион ного элемента представлено на рис. 6. Рис. 6. по казывает, что на начальном участке реакционного эле мента (0;

0,5) м происходит незна чительный рост температуры реак ционной смеси и каталитической Рис. 6. Распределение температур греющих дымовых газов, каталитической вставки и реакционной смеси по длине реак- вставки. Объясня ется это высокой ционного элемента разностью температур между греющими дымовыми газами и реакционной смеси, и каталитической вставки. Далее температуры каталитической вставки и реакционной смеси равномерно снижаются до температуры 6080С и 6030С. Температура греющих дымовых газов изменяется с 10000С на входе до 7080С на выходе из реакционного элемента (рис. 6.).

В четвертой главе приведено схемное решение использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов в соста ве кузнечной печи (рис. 7.). В этой схеме ввиду низкого давления конвер тированного газа (синтетического топлива) после термохимического реак тора используется горелка с активной воздушной струей (классификация по ГОСТ 21204-97). Избыточное давление природного газа полезно ис пользуется в струйном насосе.

Рис. 7. Кузнечная печь с ТХР теплоты отходящих дымовых газов КП – кузнечная печь;

РУ – разделительное устройство;

СН – струйный насос;

ТХР – термохимический реактор;

РВП – рекуперативный воздухоподогреватель;

В – вентиля тор;

Д – дымосос;

Г – горелка с активной воздушной струей.

Для оценки роста энергетической эффективности при внедрении термохимической регенерации теплоты в составе кузнечной нагреватель ной печи проведен сравнительный анализ трех схем:

1. Схема с термической регенерацией теплоты отходящих дымовых газов за счет подогрева дутьевого воздуха перед горением;

2. Схема с термохимической регенерацией теплоты дымовых газов за счет паровой конверсии природного газа;

3. Схема с термохимической регенерацией теплоты дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания (иссле дуемый способ регенерации теплоты).

Тепловые балансы кузнечной печи для нагрева 1 т/ч стали 45Х с на чальной температурой 200С до конечной температуры 8500С для схем 1- приведены на рис. 8. Из рис. 8. видно, что применение термохимической регенерации теплоты за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания позволило исключить дополнительные затраты тепла на производство пара для конверсии природного газа.

Теплопритоки: Qгв – теплота горячего воз духа;

Qф.ст – физиче ская теплота синт. Топ лива;

Qхим – химическое тепло топлива;

Qхим – химически связанное физическое тепло.

Теплопотери: Qотх – теплота отходящих дымовых газов;

Qохл – охлаждение подовых труб;

Qпар – тепловые затраты на производст во водяного пара;

Qпроч – прочие тепловые по тери (потери тепла че рез окна;

потери через кладку теплопроводно стью и др.);

Qн.м. – теп Рис. 8. Тепловой баланс кузнечной печи производительно- ло, идущее на нагрев стью 1 т/ч металла.

Анализ баланса показал, что для схемы 2 и 3 достигается практиче ски полная регенерация теплоты отходящих дымовых газов. Однако в схе ме 2 имеются дополнительные теплозатраты на производство пара, что в свою очередь приводит к снижению энергетической эффективности печи и к усложнению технологической схемы за счет наличия парогенератора.

Рис. 8. показывает, что при равной полезной нагрузке печи на нагрев стали количество необходимой теп лоты с химической энергией топлива для схемы 3 ниже на 12%, чем для схемы 2, и на 25% ниже, чем для схемы 1.

Рассчитанный удель ный расход условного топли ва на нагрев стали 45Х с на чальной температурой 200С до конечной температуры 8500С для сравниваемых схем приведен на рис. 9. Из рис. 9.

видно, что применение тер мохимической регенерации Рис. 9. Сравнение удельного расхода условного топ теплоты за счет конверсии лива (Qнр=29,3МДж/кг) для различных схем кузнеч природного газа продуктами ной печи его полного сгорания позволило снизить потребление природного газа по сравнению со схемой печи с термической регенерацией теплоты на 25%, а относительно схемы с термохимической регенерацией на базе паровой конверсии природного газа на 12%.

Энергосбережение оказывает непосредственное влияние на эколо гию, снижая расход топлива, а, следовательно, и уменьшая вредные вы бросы, и, таким образом, является методом борьбы не со следствием за грязнения окружающей среды, а с причиной, его вызывающей.

Оценка экономической эффективности в настоящей работе прово дится в соответствии с «Методическими рекомендациями по оценки эф фективности инвестиционных проектов». Коммерческая эффективность внедрения системы термохимической регенерации определялась через сравнение чистого дисконтированного дохода (интегрального эффекта):

T T Э инт ЧДД Э t t K t t, (10) t 0 t где Эt – эффект в t-ом году реализации проекта (без дисконтирования), руб/год;

Т – горизонт расчета (расчетный период), лет;

Кt – капитальные вложения в t-м году (без дисконтирования), руб.;

t=(1+E)-t – коэффициент дисконтирования;

Е – норма дисконта, ед.

При решении поставленной задачи приняты следующие условия:

1. Норма дисконта Е=0,12.

2. Горизонт расчета 12 лет.

3. Все инвестиции в осуществление проекта вносятся в первый год.

Энергетиче ская сопостави мость вариантов схем термохимиче ской регенерации теплоты обеспечи вается одинаковой производитель ность кузнечной печи по нагретому металлу 1 т/ч.

Сравнитель ный анализ эконо мической эффек тивности использо вания схем регене рации теплоты от ходящих дымовых Рис. 10. Изменение чистого дисконтированного дохода по годам газов проводился с горизонта расчета учетом динамики цен на природный газ: при Цпг=2300руб./тыс.м и при Цпг=5000руб./тыс.м3.

Для схемы 3 имеют место максимальные эксплуатационные издержки, связанные с затратами на электрическую энергию, т.к. используются го релки с активной воздушной струей. Для схемы 2 имеются максимальные капитальные затраты, т.к. помимо термохимического реактора необходима установка парогенератора. Изменение ЧДД по годам горизонта расчета при Цпг=2300руб./тыс.м3 и при Цпг=5000руб./тыс.м3 показано на рис. 10. Из рис. 10. видно, что максимальный ЧДД при этой цене наблюдается для схемы 1, в то время как при Цпг=5000руб./тыс.м3 для схемы 3. Это объяс няется тем, что при низкой стоимости природного газа дополнительные капитальные и эксплуатационные затраты для системы ТХР теплоты хотя и дают положительный энергетический эффект, но приносят меньшую экономическую выгоду, чем схема 1. Однако с ростом цены природного газа возрастает стоимость регенерированного тепла. При Цпг=5000руб./тыс.м ЧДД для сравниваемых схем равен: 1 – 4176, тыс.руб.;

2 – 3884,6 тыс.руб.;

3 – 4578,0 тыс.руб.

Минимальная стоимость природного газа, при которой будет эко номически целесообразно внедрять термохимическую регенерацию тепло ты за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания (индекс доходности ИД1) составляет 1860руб/тыс.м3.

ВЫВОДЫ 1. Анализ энергетической эффективности разработанных энергосберегаю щих решений показал, что применение ТХР теплоты отходящих дымо вых газов для кузнечной печи обеспечивает снижение расхода топлива на 25% относительно традиционной схемы с подогревом дутьевого воз духа до 5000С, и на 12% относительно схемы с термохимической реге нерацией теплоты за счет паровой конверсии природного газа 2. Разработаны и запатентованы схемы использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии при родного газа продуктами его полного сгорания. Разработан и запатенто ван термохимический реактор для каталитической конверсии природно го газа.

3. Установлена зависимость количества трансформированной физической теплоты отходящих дымовых газов в химическую энергию конвертиро ванного газа от технологических параметров. Определены эффективные диапазоны изменения технологических параметров для использования ТХР в ВТУ: эффективное давление – располагаемое давление дымовых газов после рабочей камеры печи;

эффективная температура при =2, равна Тэф900K;

при Т=1200К, эф1,0.

4. Выполнено математическое моделирование процессов, протекающих в термохимическом реакторе, которое позволило определить эффектив ность использования ТХР при различных конструктивных параметрах реактора и режимах работы. Разработано математическое описание про цессов, протекающих в термохимическом реакторе;

разработан алго ритм расчета одномерной модели.

5. С помощь математической модели установлено, что степень конверсии метана 2=0,75 достигается при прохождении вдоль реакционного эле мента 3,2 м для следующих начальных параметров: tдг=10000С, tСН4=200С, СН4:ДГ=1:3,51, u=2м/с;

катализатор ГИАП-3 (NiO10%), dрэ=0,06м, dкат=0,04м. Невязка теплового баланса по всей длине реакци онного элемента составила 3,6%.

6. Выполнен сравнительный экономический анализ для различных схем регенерации теплоты отходящих дымовых газов с учетом динамики це ны на природный газ: при Цпг=2300руб./тыс.м3;

при Цпг=5000руб./тыс.м3.

Установлено, что с ростом цены природного газа возрастает стоимость регенерированной теплоты. Чистый дисконтированный доход для трех сравниваемых схем при Цпг=2300руб./тыс.м3 равен 1236,1;

430,0;

634,3 тыс.руб.;

при Цпг=5000руб./тыс.м3 ЧДД равен 4176,7;

3884,6;

4578,0 тыс.руб., соответственно для схемы с термической регенерацией, ТХР за счет паровой конверсии метана, ТХР за счет конверсии природ ного газа продуктами его полного сгорания.

7. Минимальная стоимость природного газа, при которой будет экономи чески целесообразно внедрять ТХР теплоты за счет конверсии природ ного газа продуктами его полного сгорания составляет 1860 руб./тыс.м3.

Основные результаты работы опубликованы в научных трудах Журналы, рекомендованные ВАК:

Пащенко, Д.И. Производство водорода в системах химической регене 1.

рации теплоты дымовых газов / Д.И. Пащенко// Альтернативная энерге тика и экология. – 2009. – №6 (74). – С. 11-15.

Пащенко, Д.И. Использование термохимической регенерации теплоты в 2.

огнетехнических установках / Д.И. Пащенко // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». – 2009. – №3 (25). – С. 232-236.

Пащенко, Д.И. Производство и использование синтез-газа в системах 3.

термохимической регенерации теплоты / Д.И. Пащенко, А.И. Щелоков // Альтернативная энергетика и экология. – 2009. – №12 (80). – С. 10-14.

Пащенко, Д.И. Снижение выбросов СО2 при сжигании термически об 4.

работанного углеводородного топлива / Д.И. Пащенко // Экология и промышленность России. – 2010. – №3. – С. 12-14.

Пащенко, Д.И. Определение максимальной степени конверсии метана 5.

продуктами полного сгорания природного газа / Д.И. Пащенко // Вест ник Саратовского государственного технического университета. – 2010.

– №3 (46). – С. 143-150.

Пащенко, Д.И. Сравнительная оценка энергетической эффективности 6.

применения термохимической регенерации теплоты дымовых газов / Д.И. Пащенко // Промышленная энергетика. – 2010. – №11. – С. 8-10.

Патенты, свидетельства и нормативные источники:

7. Патент на полезную модель №89980 Российская Федерация, МПК В01J 8/02. Реактор для проведения каталитических процессов / Д.И.Пащенко.;

заявитель и патентообладатель Самарский гос. тех. ун-т.

– заявл.№2009129848/22;

опубл. 27.12.09. Бюл. №26. – 6 с.: ил.

В других изданиях (наиболее значимые):

8. Пащенко, Д.И. Повышение эффективности использования топлива в промышленных огнетехнических установках / Д.И.Пащенко // сб. на учн. трудов Ежегодной научной конференции учащихся, студентов и молодых ученых «Научное творчество ХХI века»;

в 2-х томах. Т.2. – Красноярск: Науч.-информац. издательский центр, 2009. – С.190-192.

9. Пащенко, Д.И. Повышение энергетической эффективности работы промышленных огнетехнических установок / Д.И. Пащенко, А.И. Щелоков // Проблемы теплоэнергетики: материалы Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых;

под ред. Е.В. Торопова. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – С. 106-109.

10.Пащенко, Д.И. Способ утилизации теплоты высокотемпературных ды мовых газов / Пащенко Д.И. // Нетрадиционные и возобновляемые ис точники энергии: Сб. матер. Всероссийской научно-практической кон ференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых 14 18.12.2009г. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. – С. 230-232.

11. Pashchenko, D.I. Thermochemical regeneration of waste heat / D.I. Pashchenko, A.I. Shchelokov // Information material of Russian-Balkan Forum. – Belgrade, Serbia, 2010. – P. 122-123.

12. Pashchenko, D.I. Thermochemical regeneration by means steam-dry reform ing of methane / D.I. Pashchenko // Perspective innovations in science, edu cation, production and transport ’2010. – Odessa, 2010. – P. 68-69.