CC BY
17
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОХИМИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ.
к»
РЕГЕНЕРАЦИЯ ТЕПЛОТЫ ЗА СЧЕТ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ
ПРИРОДНОГО ГАЗА
Частикова Ольга Игоревна
СамГТУ, г. Самара
АННОТАЦИЯ
Рассмотрена актуальность вопросов повышения энергоэффективности высокотемпературных теплотехнологических установок. Показано, что на долю тепловых потерь с отходящими дымовыми газами для различных установок приходится до 75% общих потерь. Описан способ повышения энергоэффективности ВТУ за счет паровой конверсии метана. Приведены краткие сведения по механизму реакции паровой конверсии метана.
ABSTRACT
The relevance of energy efficiency of high gas furnaces are considered. It is shown heat losses of waste-heat flue gases can achieve about 75% for different gas furnaces. A method for improving energy efficiency furnaces by steam reforming of methane are described. The information on the mechanism of methane steam reforming reactions are given.
Ключевые слова: энергосбережение, регенерация тепла, паровая конверсия природного газа, теплотехнологическая установка.
Keywords: energy saving, heat regeration, steam reforming of natural gas, gas furnace.
Одна из главных проблем Российской экономики - неэф- ских установок (ВТУ), являющиеся одними из основных по-фективное использование энергетических ресурсов. Реали- требителей топлива в стране. В большинстве случаев ВТУ зация энергосберегающих мероприятий требует в 3-4 раза работают с весьма низким КПД (20-30%) [1], в основном это меньше инвестиций чем затраты на увеличение производ- обусловлено очень большими потерями тепла с отходящими ства соответствующей энергии. дымовыми газами, достигающими иногда 70-80% от коли-
Наиболее энергоемкие процессы в теплоэнергетике при- чества энергии, подведенной в установку топливом. ходятся на долю высокотемпературных теплотехнологиче-
Таблица 1.
Тепловые характеристики высокотемпературных теплотехнологических установок [5]
Тип печи Температура в рабочем пространстве, °C Температура дымовых газов, °C Потери тепла с дымовыми газами, %
Сталеплавильные печи 1650-1750 1550-1600 65-75
Нагревательные колодцы 1350-1450 1250-1350 55-60
Кузнечные камерные печи 1300-1400 1100-1200 55-65
Методические нагревательные печи 1300-1400 900-1100 30-45
Стекловаренные печи 1600-1700 1000-1100 50-60
Следовательно возникает необходимость утилизация теплоты отходящих дымовых газов. В настоящее время для этой цели используют специальные теплообменные устройства: рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы. Целесообразно осуществлять утилизацию тепла таким образом, что бы часть тепла дымовых газов могла быть возвращена обратно в рабочее пространство ВТУ, т. е. чем выше степень регенерации, тем большая экономия может быть достигнута.
Наиболее частым применяемым в промышленности способом регенерации теплоты отходящих газов является термическая регенерация - подогрев воздуха идущего на горение, в результате чего увеличивается КПД установки. Часть тепла отработавших газов возвращается в рабочее пространство печи путем передачи его воздуху и/или топливу подаваемых в печь для горения. Подобным образом,
с передачей тепла воздуху или газообразному топливу, работают теплообменники рекуперативного и регенеративного типа. Однако основным недостатком данного способа является невозможность глубокой регенерации выбрасываемой теплоты. Это связанно с тем, что нагрев воздуха выше оптимальной температуры хотя и дает положительный экономический эффект, но снижает экономическую выгоду от данного мероприятия [4].
Одним из решений проблемы достижения высокой степени регенерации выбрасываемой теплоты после ВТУ является использование термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов. Эта идея появилась еще 70-е годы, предлагалось использовать термохимическую регенерацию для повышения энергоэффективности газотурбинных установок [6]. В последние годы был опубликован целый ряд работ по термохимической регенерации, выдано
несколько патентов на изобретения, а также были защищены несколько кандидатских диссертаций.
Сущность термохимической регенерации (ТХР) тепла отходящих дымовых газов, как показал Н. А. Семененко [3], заключается в использовании их физической теплоты для предварительной эндотермической переработки исходного топлива, которое при этом получает больший запас химически связанного вещества и нагревается до высокой температуры. Это дополнительное химически связанное и физическое тепло топлива, а также тепло нагретого дутьевого воздуха реализуется в рабочей камере печи, что обеспечивает соответствующее повышение ее температурного уровня и снижение удельного расхода топлива.
Одним из способов термохимической регенерации является применение паровой конверсии природного газа. Механизм паровой конверсии включает в себя целый ряд реакций, протекающих с поглощением и выделением теплоты. СН4 + Н2О ~ СО+ 3Н2 - 206,1 кДж/моль, СН4 + 2Н2О ~ СО+ 4Н2 - 165,1 кДж/моль, СО + Н2О ~ СО2+ Н2 + 41,2 кДж/моль Для осуществления паровой конверсии метана необходим внешний подвод теплоты с температурой не менее 750°С. Реакторы паровой конверсии для максимально полной степени конверсии метана активируют различными катализаторами.
Необходимо отметить, что каталитическая паровая конверсия углеводородов по тепловому эффекту и количеству получаемого водорода в несколько раз превосходит нека-
талитические эндотермические процессы типа пиролиза, крекинга и деполимеризации углеводородов [2]. Сложность состоит в создании развитой каталитической поверхности теплообмена и в поддержании ее свойств в течении всего времени эксплуатации изделия.
Таким образом регенерация теплоты отходящих газов за счет паровой конверсии природного газа является наиболее перспективным в настоящее время.
Список литературы:
1. Данилов, О. Л. Использование вторичных энергетических ресурсов / О. Л, Данилов, В. А. Мунц. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. - 154с.
2. Коваль, П. И. Физико - химический анализ и оптимизация технологии крупнотоннажного производства метанола / П. И. Коваль. Автореф. Диссерт. ... канд. Технич. наук. -Томск, Томский политехнический университет, 1997. - 20с
3. Семененко, Н. А. Вторичные энергоресурсы промышленности и и энерготехнологическое комбинирование / Н. А. Семенко. - М.: Энергия, 1983.
4. Соколов, Е. Я.. Струйные аппараты. Изд. 2-е // Е. Я. Соколов, Н. М. Зингер. - М.: Энергия, 1970. - 288с.
5. Щукин, А. А. Газовое и печное хозяйство заводов / А. А. Щукин. - М.: Энергия. - 1966. - 232с.
6. Olmsted, J. H. Heat engine efficiency enhancement through chemical recovery of waste heat / J. H. Olmsted, P. G. Grimes // Proceedings of 7th International Energy Conversion Engineering Conference. 1972. - P. 241-248.
