автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Повышение энергетической эффективности высокотемпературных установок посредством термохимической рекуперации тепловых отходов

005002139

Густаво Алонсо Рестрепо Монги

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ УСТАНОВОК ПОСРЕДСТВОМ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕКУПЕРАЦИИИ ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ

Специальность 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соисканне ученой степени кандидата технических наук

1 7 НОЯ 2011

Москва-2011

005002139

Работа выполнена на кафедре «Тепломассообменных процессов и установок» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сергаевскии Эдуард Дмитриевич

доктор технических наук, профессор Яновский Леонид Самойлович

Ведущая организация:

кандидат технических наук Сараф Борис Алексеевич

Московский Государственный Университет Леса (МГУЛ)

Защита диссертации состоится «г4 » но»6р* 2011 г. в час. ое> мин. в аудитории Г-406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Национальном исследовательском университете «МЭИ» по адресу:! 11250, г. Москва, ул. Красноказарменная, дом 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная улица, дом 14, Ученый Совет НИУ МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского университета «МЭИ».

Автореферат разослан «^»р^ифбрй, 2011 г.

Председатель I .

диссертационного совета Д 212.157.10 ! /

доктор технических наук, профессор —7^у-\ЛДл^ыженков В. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Высокотемпературные установки (ВТУ) такие как, стекловаренные печи, характеризуются не только своим интенсивным энергопотреблением, но также выбросом горячих дымовых газов и низкой утилизацией энергии топлива. Вследствие этого были созданы энергосберегающие системы, основанные на термической рекуперации (TP) теплоты горячих дымовых газов.

Высокие затраты энергии и растущее беспокойство по поводу негативных последствий потребления энергии ископаемого топлива, способствовали развитию технологий термохимической рекуперации (ТХР), в которых дополнительное количество теплоты от дымовых газов используется для превращения топлива в газовую смесь с. более высоким тепловым эффектом. Природный газ способен превращаться в синтез-газ при помощи эндотермических реакций конверсии метана, его основного компонента. Таким образом, ТХР в сочетании с TP способствует значительному снижению количества топлива, необходимого для энергоснабжения ВТУ.

В настоящей диссертации проводится анализ преимуществ использования системы ТХР в ВТУ, при условиях работы, подобных условиям функционирования стекловаренных установок. Представленные здесь результаты исследования опираются на работы российских и зарубежных ученых: И. И. Перелётова, М. Ф. Шопшина, В. Н. Новосельцева, А. И. Тюрина, В. Г. Носача, А. Н. Крылова, G. F. Froment, J. Xu, M. H. Wesenberg, J. A. Liu и др., посвященные термохимической рекуперации, конверсии метана и повышению энергоэффективности.

Целью работы является повышение энергетической эффективности высокотемпературных установок на основе термохимической рекуперации.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

■ разработка одномерной математической модели химических, тепломассо-обменных и гидравлических процессов, протекающих в каналах реактора-рекуператора (РР), в объеме которого расположены реакционные элементы (РЭ), имеющие вид трубы Фильда.

■ проверка адекватности одномерной математической модели путем сравнения с экспериментальными данными и результатами численного моделирования, выполненного в вычислительном комплексе Fluent по разработанной в нём двумерной модели;

■ проведение численных расчётов локальных характеристик полей концентраций газовых компонентов и температур в каналах РР с помощью разработанных математических моделей;

* повышение энергоэффективности ВТУ, использующей ТХР, посредством усовершенствования существующей технологической схемы;

■ Определение параметров функционирования усовершенствованной технологической схемы и оценка её эффективности на основе массовых и энергетических балансов;

Объектом исследования является система ТХР в технологических схемах ВТУ, подобных стекловаренным установкам.

Предметом исследования являются процессы, протекающие в ВТУ с ТХР, а также условия повышения их энергоэффктивности.

Инструментом исследования являются разработанные в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent математические модели химических и тепло-массобменных явлений, протекающих в PP.

Методы исследования. При решении задач данной диссертационной работы были использованы понятия и методы термодинамики, теории явлений переноса теплоты и массы, а также теории разработки реакционных аппаратов. При проведении вычислительных экспериментов были использованы методы численного моделирования теплообмена и гидродинамики.

Научная новизна работы

1. Впервые разработана математическая модель РР, которая позволяет определить температурное поле протекающих по тракту РР газов с учетом переменности их теплофизических свойств и свойств конструктивных элементов, образующих РР; влияния рабочих параметров (температуры, давления, расхода газов) и режимов работы на рекуперацию теплоты и эффективность PP. От известных моделей она отличается тем, что учитывает:

■ зависимость теплофизических свойств газов (коэффициентов переноса тепла и массы) от температуры, давления и концентрации;

■ влияние температуры на теплопроводность и степень черноты катализатора и стенок каналов проточной части РР;

■ явление многокомпонентной диффузии и химические реакции в наружных порах вставки катализатора РЭ, а также процесс внешней диффузии в кольцевом канале РЭ;

■ определение коэффициентов эффективности каталитических реакций для моделирования внутренней диффузии, расчёт локальных значений чисел Нус-сельта Шервуда по тепло- и массобменным поверхностям РЭ и потоков излучения в каналах РЭ и РР, а также проведение гидравлических расчётов;

2. Подтверждено, что при соотношении между молярными расходам водяного пара и метана в смеси, поступающей в РР, равном двум процесс термохимической рекуперации протекает с наибольшим коэффициентом полезного действия, при более низкой величине этого отношения наблюдается интенсивное сажеобразование.

3. На основании массового, энергетического и эксергетического балансов технологической схемы с ТХР определены эффективные условия её работы. Установлено, что использование ТХР в промышленных высокотемпературных процессах позволяет увеличить энергоэффективность технологических схем, работающих при условиях подобных существующим в стекловаренных установках, на 26 % по сравнению с ныне действующими схемами.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов численных расчётов, выполненных по моделям,

разработанным в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent, а также с экспериментальными данными, опубликованными Новосельцевым В.Н. и др.1

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель РЭ реактора-рекуператора позволяет, при относительно не больших компьютерных ресурсах, достаточно точно определить рабочие характеристики аппарата (при заданных условиях эксплуатации), оценить его энергетическую Эффективность И ИССЛедовать влияние кпнстпутгогеных пяпямртппп

" L ' ----------1--------Г

на конверсию метана и рекуперацию теплоты. Установленные режимные параметры технологической схемы с ТХР, позволяют не только повысить её эффективность, но и снизить выбросы углекислого газа в атмосферу.

Основные положения, выносимые на защиту:

■ Математическая модель РР, описывающая процессы переноса тепла и массы в условиях высокотемпературного излучения и химические превращения, с учетом переменности теплофизических свойств тел, участвующих в указанных процессах.

■ Данные сопоставительного анализа, выполненного по результатам моделирования в вычислительном комплексе Fluent, расчётам по разработанной одномерной математической модели РР и экспериментальным литературным данным.

1 Результаты оценки энергетической эффективности технологической схемы с ТХР и предложения по её использованию в ВТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты данной диссертационной работы были представлены и обсуждены на XV и XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва 2009 и 2010 гг.; Летней конференции по теплообмену Американского общества инженеров-машиностроителей - ASME - Сан-Франциско, США, 2009 г. и на VII международном междисциплинарном конгрессе научных исследований - Санто-Доминго, Доминиканская Республика, 2011 г.

Публикации. Основные научные положения, выводы и рекомендации диссертации содержатся в 6 опубликованных работах, одна из которых опубликована в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура диссертационной работы. Диссертация содержит 142 страницы машинописного текста и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы (93) и приложений.

Новосельцев В. Н., Тюрин А. И., Волков В. А., Шопшин М. Ф. Опытная стекловаренная печь с глубокой регенерацией тепла дымовых газов на Гусевском заводе стекловолокна, Москва. 1977.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, её научная новизна и практическая значимость, а также дано краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе выполнен обзор современного состояния технологии ТХР. Рассматриваются основы рекуперации теплоты в ВТУ. Объясняются причины неполной утилизации энергии топлива и представляются разные подходы для увеличения её эффективности.

а)

Воздух -Природный "

Исходный материал

к Энергия в & технологический

Брошенная в атмосферу

Технологический продукт

•¿лергия; "

■ печь

Воздух

Энергия в технологический процесс

Природный

Продукты

сгорания Подогрев

Брошенная в атмосферу энергия

Уходящие газы

Подогретый воздух

Технологический

продукт

Ешза техн •Ыи ! *

£ ~ -ОЕЧЬ • «я '

Энергия в нологическ> процесс

Брошенная в атмосферу энергия

Технологический

продукт

Рис. 1. Блок-схема и диаграммы Сэнки ВТУ: а) - без рекуперации; 6) - термическая рекуперация (ТР); в) - комбинированная (ТХР и ТР)

Блок-схемы разных вариантов ВТУ и соответствующие им диаграммы Сэн-ки представлены на рис. 1, где видно, что применение ТХР в таких установках даёт очевидные преимущества: В случае с ТХР 82% энергии топлива направляется в технологический процесс, а в случае с ТР - только 65%.

Повышенная эффективность установок с ТХР основана на реакциях конверсии метана:

СН4+Н20->С0+ЗН2 ДНр,,° = 206100 кДж/кмоль (1) С0+Н20->С02+Н2 АНр,2°=-41500 кДж/кмоль (2) СН4+2Н20->С02+4Н2 АНр,з°= 164600 кДж/кмоль (3)

В результате указанных реакций на выходе реактора образуется газовая смесь - «синтез-газ». Реакции (1) и (3) эндотермические, т.е. протекают с поглощением теплоты, в данном случае теплоты, рекуперированной от дымовых газов, уходящих из печи. Таким образом, уменьшается расход топлива, поскольку часть теплоты, уносимой дымовыми газами с высокой температурой (порядка 1500°С), превращается в химическую энергию и возвращается в печь.

В отличие от математической модели, описывающей физические явления, происходящие в представленном выше РР, разработанной Перелетовым И.И.2, настоящая модель точнее описывает конструкцию РЭ, учитывая изменение направления потока газов при переходе из внутреннего канала в кольцевой. Также, в отличие от модели Крылова А.Н.3, учитывает, физические свойства газовой смеси, в зависимости от температуры, давления и её состава, а также все диффузионные явления в кольцевом канале и активном слое катализатора, в порах которого происходят реакции конверсии.

Во второй главе описывается разработанная математическая модель главного аппарата системы ТХР - реактора-рекуператора.

Рассматриваемый вариант РР оснащен параллельно включенными реакционными элементами, каждый из которых состоит из двух концентрических труб, установленных с зазором. На внутреннюю трубу надеты цилиндрические вставки катализатора (см. рис. 2).

Парогазовая смесь поступает в подающий патрубок 1 и движется вначале по внутренней трубе 2, где происходит её конвективный нагрев. Затем поток газа меняет направление движения и поступает в кольцевой канал 4, расположенный между трубами 2 и 3, где в поверхностном слое каталитической вставки 5 происходит эндотермическая конверсия метана. Образовавшийся синтез-газ отводится из реакционного элемента через выходной патрубок 6. Теплота, подводимая к реакционному элементу от дымовых газов, расходуется как на нагрев, так и на химическую переработку топлива.

2 Шопшин М.Ф. и др. Химическая регенерация тепловых отходов топливных печей. Химическая промышленность, Москва. 1981.

Крылов, А. Н., Повышение эффективности стекловаренных печей на основе комплексной регенерации тепловых отходов, кандидатская диссертация, Москва, МЭИ, 2007.

Рис. 2. Секция реакционного элемента. При разработке одномерной математической модели приняты следующие упрощения и допущения:

а) в реакторе имеет место режим идеального вытеснения;

б) течение газов считается стационарным;

в) в реакторе газовая смесь подчиняется закону идеальных газов. Математическая модель состоит из следующих модулей:

* Модуль «Свойства газов и твёрдых тел».

В табл. 1 представлены использованные модели и источники данных для определения свойств чистых газов и их смесей.

Таблица 1. Методы и источники данных для расчёта свойств газов.

Свойство Модель / источник данных

Чистые газы • Плотность, р • Молярная теплоёмкость, СР(Т) • Кинематическая вязкость, ц(Т) • Коэффициент теплопроводности, А.(Т) • Степень черноты е (Т,Р,у;,Ьп) Закон идеальных газов Базы данных Fluent и Hysys Базы данных Fluent и Hysys Базы данных Fluent и Hysys Широкодиапазонная и Лекнера

Газовая смесь • Плотность, р • Молярная теплоёмкость, СР(Т) • Динамическая вязкость, ц(Т) • Коэффициент теплопроводности, Х(Т) • Коэффициент диффузии Оу(Т, у;) Закон идеальных газов Закон идеальных газов Модель Райхенберга Модель Вассильева/Мэйсон-Саксена Модель Фуллера

' Модуль «Теплообмен»

В одномерной модели учитываются процессы излучения, конвекции и теплопроводности, которые схематично показаны на рис. 3. Теплота передаётся от

дымовых газов и от внутренней стенки корпуса РР наружной стенке РЭ посредством излучения и конвекции. В стенке процесс переноса теплоты осуществляется теплопроводностью. С внутренней поверхности наружной стенки теплота передаётся излучением газу и катализатору, а также конвекцией газу. Теплообмен между газом и катализатором осуществляется конвекцией и излучением, при этом направление тепловых потоков зависит от соотношения их температур. Поверхность катализатора поглощает теплоту, необходимую для осуществления реакции паровой конверсии метана, понижая свою температуру. Наконец, теплота проходит через катализатор и стенку внутренней трубки и передаётся, путем излучения и конвекции, газу, протекающему по внутренней трубе.

Рис. 3. Теплопередача в реакционном элементе.

В данной модели принимается, что в направлении, перпендикулярном течению газа, стенки труб и катализатор являются термически тонкими. Поэтому распределение температуры в стенке катализатора и в стенке внутренней трубки по длине реактора совпадают.

Согласно выше сказанному, процесс теплообмена в реакторе можно описать через энергетические балансы, составленные для каждой его части, следующим образом:

в наружная стенка реактора-рекуператора

d2T ТТ

dz2 F 1

н,сеч St

• дымовые газы

нт

dz Ср,Д,рр

in Г П 4- г/ (Т - т Л ^

н.вну (_ -!И,Д->Н ' Д—Н V ■ Д ' Н J_j

+NT.n0iHap[q^c + afl_c(Tí-Tc)]

наружная стенка РЭ

1

dZ FcceA

1 Г

Н,ВНуЧи,Н->С , T-r Г /_ _ \~1

-+ nCiHap + «д_о (тд -тс)]

ГПс,вну [Чи.С^К + + «о-г (Тс - Тг)]

реагирующие газы в кольцевом канале РЭ

dT

dz срАрз

Пов[Яи,с^+«сг(Тс-Тг)]

-п.

вставка катализатора РЭ

d2T 1

dz Fy«A

(5)

(6)

(7)

+ (тг - Тк) + X J¡ Ср,д (Тг - тк)

i=i

з

-nB,BHy + «„- (Т, - тв)] - FaK ^ft £ ДНР дг, •

в газовая смесь во внутреннем канале РЭ dT П,

_ _~в,вну

dz Ср^рэ

[q„,MB+as_B (т.-т.)]

(8)

(9)

Коэффициенты теплоотдачи определяются по формулам Черчилля - Озоу и Музички - Иовановича4 для ламинарного режима, и по формуле Гниелинского5 для переходного и турбулентного режима. Потоки излучения были определены с помощью электрической аналогии, как показано на рис. 4.

Muzychka Y. S„ Yovanovich M. M. Laminar forced convection heat transfer in the combined entry region of non-circular ducts // Journal of Heat Transfer.- February 2004,- Vol. 126.-.p. 54 - 61. Bejan A.. Kraus A. D. Heat transfer handbook. New Jersey, ed. John Wiley & Sons. 2003.

Наружная стенка РР

Катализатор

Внутренняя стенка

аналогия для определения потоков излучения в РР.

/Адвекция:

Внешняя

: Г '

Внутренняя диффузия и химические реакции

Ев-т ^в

Еч.а = О Тв4

Рис. 4. Электрическая

Вставка катализатора

ЯВр 1

Тшщ',

от |

1

Кольцевой канал П.слой Пористая зона

Рис. 5. Массообмен в реакционном элементе.

Модуль «Массообмен»

В РЭ имеют место процессы массообмена, связанные с химическими реакциями и образующимися при этом градиентами концентрации газовых компонентов в кольцевом канале и в порах на поверхности катализатора (рис. 5).

Массообмен в кольцевом канале, или «внешний массообмен», ограничен диффузией компонентов через пограничный слой, образовавшийся на границе раздела поверхности катализатора и потока газов.

Внешний массообмен математически описывается уравнением (10). Коэффициенты массоотдачи были определены по соотношениям, с помощью которых был рассчитан коэффициент теплоотдачи, но с заменой в них чисел Нус-сельта и Прандтля числами Шервуда и Шмидта: Ии^^, Рг)->8ЬЙ=х(/(КеС|, Бс).

(Ю)

г,сеч

При описании внутреннего массообмена применены коэффициенты эффективности химических реакцией, которые позволяют рассчитать действительные скорости реакций, используя концентрации компонентов на границе раздела поверхности катализатора и потока газов, избегая расчёта профилей концентраций газов в порах катализатора и сохраняя одномерность модели. Коэффициент эффективности определяется уравнением (11) и рассчитывается с помощью уравнений (12-16):

V,

=

•(у... 1 а|

(П)

(13) фг =

П =

1

ф? с!и

ы

К„ар/2) "Кн

,/М2

к:нар

(12)

(14)

(15)

(16)

* Модуль «Кинетика химических реакций»

Для расчёта скоростей гетерогенных каталитических реакций паровой конверсии метана была использована кинетическая модель для никелевых катализаторов, разработанная Сю и Фроментом.

" Модуль «Материальный баланс»

В разработанной модели материальный баланс рассчитывается по следующим уравнениям:

Внутренний канал РЭ с) N° = 0 (17)

Кольцевой канал РЭ

dNJ = dN" (18)

П.

dG: =

к,нар

—1<i(Pi-POdz 09)

г,сеч

С 3

т,г/„г ^п \ _ ак.сач „ V"' ,, _п г

' 4 ' '' ц ' '■г— - • 1 к,нар 1=1

Внешний канал реактора-рекуператора ЬР^ = 0 (21)

Модуль «Гидравлический расчёт» Перепады давления в РР определены по следующим формулам:

¿Рв ГДВСВРЭ2-МВ2

Внутренний канал РЭ ~г~ = 11 --(22)

и *-Рвав,вт

з,вну 2

r„ dPr fnrGrPa -Мг2

Кольцевой канал РЭ 2р d^— (23)

Внешний канал реактора-рекуператора

dz 2pfld7 ^

В третьей главе работы приведено сравнение результатов, полученных по одномерной и двумерной моделям, соответственно разработанным в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent, а также с экспериментальными данными, полученными на опытных установках и опубликованных в работе Новосельцева В.Н. и соавторов. Установлено, что математическая модель и принятые в ней допущения позволяют проводить инженерные расчёты и проектировать энергосберегающие схемы ВТУ с необходимой для практики точностью.

Результаты расчёта теплообмена в РР при ламинарном режиме движения газов по моделям, разработанным в комплексах Mathematica и Fluent, сопоставлены на рис. 6. Видно, что результаты расчёта температуры газов по одномерной модели отличаются от результатов двумерного моделирования во Fluent не более чем на 5%.

Достоверность результатов кинетических и массообменных расчётов подтверждается удовлетворительным их соответствием данным, опубликованным Новосельцевым В.Н. и др., полученным при использовании выше описанного РР на опытной установке с технологией ТХР. Результаты численного моделирования по одномерной модели с указанными выше экспериментальными литературными данными сопоставлены на рис. 7. Видно, что расчётное изменение температуры дымовых газов вдоль РР имеет наименьшее отклонение от данных, опубликованных Новосельцевым и его соавторами, по сравнению с кривыми. описывающими температуры стен труб РР и синтез-газа.

Рис. 6. Сравнение температур, полученных по разработанным моделям: одномерная (сплошные линии) и двумерная (штриховые линии), без учета массооб-мена и химических реакций.

Т К V*1

8.0 »Л 1.0 1Л 2.8 2.5 М

Рис. 7. Температурные поля газов и стенок труб РЭ. Сплошные линии - одномерная модель, а штриховые - данные Новосельцева В.Н. и его соавторов.

О, кДж/с

0.0 0-5 1.0 1.6 2.0 2.« I, м

20%

' 1 - ( ; ; .. I , . - ' „ ~

10%

0% " .........- ,

^ ол ол 1.9 а г в 25 |

Рис. 8. Сравнение результатов расчёта по одномерной модели (сплошная линия) с опубликованными данными (штриховая линия): а) количество рекуперированной теплоты; б) степень конверсии природного газа.

Значительное отличие температурных кривых синтез-газа в кольцевом канале трубы Фильда и её стен, рассчитанных по одномерной модели, от данных Новосельцева В.Н. можно объяснить следующим образом:

В указанной работе только температурная кривая дымовых газов отражает данные эксперимента. Остальные температурные кривые химически реагирующей газовой смеси и стен РЭ были получены расчётным путем по модели, которая не в полной мере отражает особенности теплообмена в трубе Фильда, в частности, изменение направления потока газов при их переходе из внутренней трубы в кольцевой канал.

Поэтому, с учетом выше сказанного, проверка адекватности одномерной модели реальному процессу была проведена путем сравнения данных по температурным кривым дымовых газов по длине PP. Отличие температуры дымо- | вых газов, вычисленных по одномерной модели, от опубликованных значений не превышает 5%.

Данные по количеству рекуперированной в РР теплоты и степени конверсии I природного газа, полученные в результате численного моделирования, с данными указанной выше работы, сравниваются на рис. 8. Видно, что по количеству рекуперированной в РР теплоты результаты численного моделирования качественно совпадают с опубликованными данными. Различие не превышает 7%. Что касается степени конверсии природного газа, то наблюдаемое отличие обусловлено пренебрежением эффекта потери активности катализатора в разработанной модели.

Характеристики состава газов в кольцевом канале РЭ, рассчитанные в одномерной математической модели, представлены на рис. 9, где заметно приближение протекания реакции к состоянию химического равновесия. На самом деле следует отметить, что концентрация углекислого газа быстро достигает равновесия на расстоянии первых 250 мм кольцевого канала. Концентрация угарного газа по всей длине РЭ всегда больше, чем у углекислого газа, что свидетельствует о более высокой степени конверсии метана через реакцию (1), чем через реакцию (3).

у

or -

Рис- 9. Состав синтез-газа по длине РР, полученный с помощью одномерной

модели.

В четвёртой главе представлена технологическая схема промышленной печи с ТХР (рис. 10), где показано расположение аппаратов, направление материальных и энергетических потоков, а также значения режимных параметров.

Совместно с кафедрой Химической технологии Национального университета Колумбии были рассмотрены характеристики работы данной схемы и определены наиболее эффективные условия работы с точки зрения повышения энергетической эффективности с помощью компьютерного пакета Нуэуз. Ос-I новные результаты проведённого анализа процесса ТХР показаны в табл. 2-4.

Выделенные поля в таблицах соответствуют рекомендуемым условиям работы установки ТХР. Несмотря на то, что соотношение молярных расходов пара-метана Кп.м ~ ^що'^сш _ 2, на входе РР не соответствует самому эффективному варианту (еЭкс = 67.1%, Кшм= 1), оно является рекомендуемым поскольку при значении данной величины меньше 2 существенно увеличивается скорость образования сажи на поверхности катализатора6.

Табл. 2. Влияние исходного значения Кп.м на эффективность системы ТХР.

Кп.м Х('н4 £Экс ЧЭксТ

1 65.6% 67.1% 60.4%

1.5 74.6% 65.4% 60.4%

' 7 я к т 79.7% . гц g 'ММ 1 a v - -- £ * - 59.6%

2.5 82.9% 62.0% 58.4%

3 85.1% 60.2% 56.9%

3. Влияние входной температуры газовой смеси на эффективность с мы ТХР.

T401-gv Хеш £Экс ЛЭксТ

300 68.1% 63.8% 59.6%

• 400 79.7% <65,1% J1 =" 59.6%

500 68.1% 63.8% 59.6%

Табл. 4. Влияние выходной температуры синтез-газа на эффективность системы

ТХР.

T402-SG ХсН4 бЭкс "ПЭксТ

600 53.1% 59.7% 46.0%

700 69.5% 62.5% 54.7%

U -. 750,- < • ШШШ 79.7% т .' * «>5.1% II ' 59.6%

6 Wesenberg Margrete H&ies. Gas heated steam reformer model. Doctoral thesis. Norwegian University of Science and Technology. Trondheim, 2006.

Р-Ю-5 Н-104 £-101 Е-105 Е-103 Е-102 Е-106 К-101

Компрессор Насос Подогрвиагель Пологоеватель Котёл Подогреватель Подогреватель Перегреватель Сернистый Реактор-воды воздуха газа воздуха пара абсорбер рекуператор

Р-101 Печь

шш

1___i Объёмный расход (нм3/ч) - Воздух - - Паровой смесь

/ \ Давление(бар_м) ■ --• Природный газ --Конвертированный газ

□ Температура (°С) --Водной пар - Дыгжзвые газы

Рис. 10. Технологическая схема промышленной печи с ТХР

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана одномерная модель РР, которая впервые учитывает влияние температуры, давления и концентрации на коэффициенты тепло- и массопере-носа, позволяет выделить основные закономерности нагрева и химического реагирования в реакционном элементе и определить наиболее эффективные режимы работы установки с ТХР.

2. Сравнительный анализ, осуществлённый с использованием результатов моделирования r вычислительном комплексе Fluent, численного расчёта по одномерной математической модели РР и экспериментальных данных, показал удовлетворительную сходимость. Различие расчетных и экспериментальных данных температур газов не превышает 5%.

3. Определено влияние режимных параметров на эффективность технологической схемы промышленной печи с ТХР посредством моделирования её работы в вычислительном комплексе Hysys

4. Подтверждено наиболее эффективное соотношение молярного расхода водяного пара к молярному расходу метана во входящей в реактор-рекуператор смеси с целью термохимической рекуперации. Это соотношение должно быть равно двум.

5. Технология ТХР позволяет сократить расходы топлива до 26% по сравнению с TP в установках с высокотемпературными отходящими дымовьми газами, таких как стекловаренные печи.

Список условных обозначений

СР - молярная теплоёмкость; D - коэффициент диффузии; De - коэффициент диффузии с учётом пористости активного слоя катализатора и извилистости пор; d - диаметр; сГ" - гидравлический диаметр; Е - поток энергии, кВт; F -площадь; ¿F- средний угловой коэффициент;^ - коэффициент трения Дарси; G - плотность молярного расхода, кмоль/(м2,с); J- плотность диффузионного потока, кмоль/(м2-с) / плотность потока эффективного излучения, кВт/м ; к - коэффициент массоотдачи, кмоль/(м2-с-бар); L - длина РЭ; Ln - средняя длина пути луча; М- молярная масса; N - молярный расход, кмоль/с; NT - количество РЭ в РР; Р - давление, бар; р - парциальное давление, бар; q - плотность теплового потока, кВт/м2; г' - скорость химической реакции, отнесённая к массе катализатора, кмоль/(кг-с); Red - число Рейнольдса, основанное на диаметре; Т-температура; V- объём; Х- степень конверсии; х - глубина активного слоя катализатора; у - молярная доля; z - координата длины РЭ; а - коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2-К); ЛНР - тепловой эффект химической реакции; е - степень черноты; еш -шероховатость, еж - эксергетический КПД; r¡ - коэффициент эффективности химической реакции; г\э«ст~ эффективность использования эксер-гии топлива; 1 - теплопроводность, кВт/(м-К); v - стехиометрический коэффициент; Я - периметр; р - плотность; г - пропускательная способность.

' Там, где не указана размерность величин, подразумевается использование международной системы единиц СИ.

Надстрочные индексы: в - внутренний канал РЭ; г - кольцевой канал РЭ; д -канал течения дымовых газов; к -активный слой катализатора; п -внешняя поверхность катализатора; 0 - нормальные условия (Т = 298 К, Р = 1 атм).

Подстрочные индексы обозначают: ак - активный слой катализатора; в -входящие газы / внутренний канал РЭ; вну - внутренняя поверхность; г - реагирующие газы / кольцевой канал РЭ; д - дымовые газы; диф - диффузия; и - излучение; к - катализатор; н - оболочка РР; нар - наружная поверхность; и -теплопроводность; Р - химические реакции; с - наружная труба РЭ; сеч - поперечное сечение; т - внутренняя труба РЭ; ч - чёрное тело; i - i-я реакция; j -j-й компонент газовой смеси.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Рестрепо Г. А., Крылов А. Н., Сергиевский Э. Д. Моделирование теп-ломассообменных и кинетических процессов в установке паровой конверсии метана // Вестник МЭИ - 2009.- №6.- С. 205-209.

2. Restrepo G. A., Krylov A. N., Sergievsky Е. D. Heat and mass transfer and kinetic processes modeling in a methane steam conversión facility // ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference. - 2009 - C. 125-129.

3. Рестрепо Г. А. Энергетическая эффективность и понижение уровня загрязнения для МСП в г. Боготе. // Третья Международная научно - практическая конференция "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2008": Тез. Докл. -М.,-2008.-С. 236-237.

4. Рестрепо Г. А.. Сергиевский Э. Д., Крылов А. Н. Моделирование процессов тепломассообмена в установке паровой конверсии // Пятнадцатая международная науч.-тех. конф. студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. В 3-х т. - М., - 2009 - С. 393-394.

5. Рестрепо Г. А., Крылов А. Н., Сергиевский Э. Д. Моделирование кинетики и тепломассообмена в реакторе паровой конверсии метана // Шестнадцатая международная науч.-тех. конф. студентов и аспирантов. Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. В 3-х т. - М., - 2009 - С. 423-424.

6. Restrepo G. A., Sergievsky Е. D. Diseño conceptual de procesos con recuperación termoquímica de calor (RTQ) y modelado de sus elementos // VII Congreso Internacional Interdisciplinario de Investigación Científica: Тез. докл. -Санто-Доминго. - 2011С. 2 И.

Подписано в печать^, »V. Зак. *f<A Тир.Пл. Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д.13

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕКУПЕРАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Энергия и энергоэффективность в настоящее время.

1.2. Рекуперация теплоты.

1.3. Развитие технологий термохимической рекуперации теплоты.

1.4. Математическое моделирование системы ТХР и её элементов.

1.5. Выводы по главе.

ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ.

2.1. Концептуальная модель системы ТХР для *ВТУ.

2.2. Описание конструкции реакционного элемента реакторарекуператора системы ТХР.

2.3. Математическая одномерная модель реактора-рекуператора.

2.3.1. Упрощения и допущения

2.3.2. Модуль расчёта свойств газов и твёрдых тел

2.3.3. Модуль теплообменных расчётов

2.3.4. Модуль массообменных расчётов

2.3.5. Модуль кинетики химических реакций

2.3.6. Модуль массовых балансов

2.3.7. Модуль гидравлических расчётов

2.4. Двумерная математическая модель Fluent.

2.5. Выводы по главе.

ГЛАВАЗ. ТАРИРОВОЧ НЫЕ РАСЧЕТЫ. ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ ПРВДЛАГАЕМЫХМАТЕМАТИЧЕСКИХМОДЕЛЕЙ.

3.1. Сравнение результатов одномерных и двумерных моделей теплообменника в виде трубы Фильда.

3.2. Сравнение результатов одномерной модели и экспериментальных данных.

3.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСГИ РАБОТЫ РЕАКГОРА-РЕКУПЕРАТОРАИСИСГЕМЫТХРВВДЛОМ.

4.1. Оценка работы РР по разработанной модели*.

4.2. Рассмотрение работы системы ТХР при ВТУ и оценка её эффективности.

4.2.1. Технологическая схема системы ТХР.

4.2.2. Моделирование системы ТХР и оценка её энергоэффективности.

4.2.3. Термодинамический анализ системы ТХР при ВТУ.

4.2.4. Сравнение схем систем ТХР и ТР.

4.3. Выводы по главе.

Высокотемпературные установки (ВТУ) такие, как стекловаренные печи, I характеризуются не только своим интенсивным энергопотреблением, но также выбросом горячих дымовых газов и низкой утилизацией энергии топлива. Вследствие этого были созданы энергосберегающие системы, основанные на термической рекуперации (ТР) теплоты горячих дымовых газов [1,2].

Высокие затраты энергии и растущее беспокойство по поводу негативных последствий^ потребления энергии ископаемого топлива способствовали развитию технологий термохимической рекуперации (ТХР), в которых дополнительное количество теплоты, от дымовых газов используется* для превращения топлива в газовую смесь с более высоким тепловым эффектом. Природный газ способен* превращаться' в синтез-газ при помощи эндотермических реакций конверсии метана, его основного компонента. Таким образом, ТХР, в сочетании с ТР, способствует значительному снижению количества топлива, необходимого для энергоснабжения ВТУ [3].

В настоящей диссертации проводится анализ преимуществ использования системы ТХР в ВТУ при' условиях работы, подобных условиям функционирования стекловаренных установок. Представленные здесь результаты исследования опираются на работы российских и зарубежных ученых: И. И. Перелётова, М. Ф. Шопшина, В. Н. Новосельцева, А. И. Тюрина, В. Г. Носача, А. Н. Крылова, G. F. Froment, J. Xu, М. H. Wesenberg, J. A. Liu и др:, посвященные термохимической рекуперации, конверсии метана и повышению энергоэффективности.

В первой главе данной работы выполнен обзор современного состояния технологии ТХР. Рассматриваются основы рекуперации теплоты в ВТУ. Объясняются причины неполной утилизации энергии топлива и представляются разные подходы для увеличения её эффективности. Во второй главе описывается разработанная математическая модель главного аппарата системы ТХР — реактора-рекуператора. В третьей главе приведено сравнение результатов, полученных по одномерной и двумерной моделям; соответственно разработанным в вычислительных комплексах Mathematical и Fluent, а также с экспериментальными*, данными, полученными на опытных установках, и опубликованными в работе Новосельцева В-Н! и соавторов [4]. Установлено, что математическая модель и принятые в ней допущения позволяют проводить инженерные: расчёты» и проектировать, энергосберегающие схемы ВТУ с необходимой- для практики? точностью: И, наконец, в четвёртой главе представлена технологическая схема промышленной печи.с ТХР (рис. 4.9), где показано расположение аппаратов, направление материальных и энергетических потоков, а также значения режимных параметров. Также определены наиболее эффективные условия работы с точки зрения повышения энергетической- эффективности? с: помощью? компьютерного комплекса Aspen Hysys. . . ' . ■ . ■ • • . . : . •

Целью; работы* является, повышение энергетической эффективности высокотемпературных установок на основе термохимической рекуперации.

Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи: разработка одномерной математической^ модели: химических, тепломассообменных и гидравлических процессов, протекающих в каналах реактора-рекуператора (РР), в объеме которого расположены; реакционные элементы (РЭ), имеющие вид трубы Фильда. проверка адекватности одномерной математической модели путем сравнения с экспериментальными данными и результатами численного моделирования, выполненного в вычислительном комплексе Fluent по разработанной в нём двумерной модели; проведение численных расчётов локальных характеристик полей концентраций газовых компонентов и температур в каналах РР с помощью разработанных математических моделей; повышение.энергоэффективности ВТУ, использующей ТХР, посредством усовершенствования существующей технологической схемы; определение . параметров^ функционирования усовершенствованной технологической: схемы и оценка её эффективности на основе массовых и? энергетических балансов;

Объектом» исследования s являетсяv системам ТХР в технологических схемах ВТУ, подобных стекловаренным установкам.

Предметом"исследования являются процессы;,протекающие в;ВТУ с ТХР, а также условия повышения их энергоэффективности.

Инструментом исследования являются,. разработанные в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent, математические модели химических и тепломассообменных явлений, протекающих в РР.

Методы исследования. При решении задач данной диссертационной работы были использованы, понятия и методы термодинамики; теории явлений переноса теплоты и массы, а также теории разработки реакционных аппаратов. При проведении вычислительных экспериментов были использованы методы численного моделирования теплообмена и гидродинамики.

Научная новизна работы.

1. Впервые разработана математическая модель РР, которая позволяет определить температурное поле протекающих по тракту РР газов с учетом переменности их теплофизических свойств и свойств конструктивных элементов, образующих РР; влияние рабочих параметров (температуры, давления, расхода газов)' и режимов работы на рекуперацию теплоты и эффективность РР. От известных моделей она отличается тем, что учитывает: зависимость - теплофизических свойств газов (коэффициентов переноса тепла и массы) от температуры, давления и концентрации; влияние температуры* на теплопроводность и степень черноты катализатора и стенок каналов проточной части РР; явление многокомпонентной диффузии^ и химические реакции в наружных порах вставки катализатора РЭ, а также процесс внешней диффузии в кольцевом^ канале РЭ; определение коэффициентов1 эффективности каталитических реакций для моделирования внутренней) диффузии; расчёт локальных значений чисел Нуссельта и* Шервуда по тепло- и массообменным поверхностям РЭ и потоков излучения в каналах РЭ и РР, а также проведение гидравлических расчётов.

2. Подтверждено, что при соотношении между молярными расходами водяного пара- и метана в смеси, поступающей в РР, равном двум, процесс термохимической рекуперации протекает с наибольшим коэффициентом полезного действия; при более низкой величине этого соотношения наблюдается интенсивное сажеобразование.

3. На основании массового, энергетического и эксергетического балансов технологической схемы с ТХР определены эффективные условия её работы. Установлено, что использование ТХР в промышленных высокотемпературных процессах позволяет увеличить энергоэффективность технологических схем, работающих при условиях, подобных существующим в стекловаренных установках, на 26 % по сравнению с ныне действующими схемами.

Достоверность полученных результатов подтверждается удовлетворительным совпадением результатов численных расчётов, выполненных по моделям^, разработанным в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent, а также с экспериментальными данными, опубликованными Новосельцевым В.Н. и др. [4].

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанная математическая модель РЭ реактора-рекуператора позволяет, при относительно небольших* компьютерных ресурсах, достаточно точно определить рабочие характеристики аппарата (при заданных условиях эксплуатации), оценить его энергетическую эффективность и исследовать влияние конструктивных параметров’ на конверсию метана и рекуперацию теплоты. Установленные режимные параметры технологической схемы с ТХР позволяют не только повысить её эффективность, но и снизить выбросы углекислого, газа в атмосферу.

Основные положения, выносимые на защиту:

Математическая модель РР, описывающая процессы переноса тепла и массы, в условиях высокотемпературного излучения и химические превращения, с учетом переменности теплофизических свойств тел, участвующих в указанных процессах.

Данные сопоставительного анализа, выполненного по результатам моделирования в вычислительном комплексе Fluent, расчётам^ по разработанной одномерной математической модели РР и экспериментальным литературным данным.

Результаты оценки энергетической эффективности технологической схемы с ТХР и предложения по её использованию в ВТУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты данной диссертационной* работы были представлены и обсуждены на XV и XVI международных научно-технических конференциях студентов-, и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» - Москва 2009 и 2010 гг.; Летней« конференции по теплообмену Американского общества инженеров-машиностроителей - ASME — Сан-Франциско, США, 2009 г. и на VII международном’ междисциплинарном' конгрессе научных исследований -Санто-Доминго, Доминиканская Республика, 2011 г.

Публикации: Основные научные положения, выводьг и рекомендации диссертации содержатся в 6 опубликованных, работах, одна из которых опубликована в издании, рекомендованном ВАК РФ.

1. РестрепоГ. А., Крылов А. Н., Сергиевский Э. Д. Моделирование тепломассообменных и кинетических процессов в установке паровой конверсии метана // Вестник МЭИ.— 2009.— №6.— С. 205-209."

2. Restrepo G. A., Krylov A. N., Sergievsky Е. D. Heat and Mass Transfer and Kinetic Processes Modeling in a Methane Steam Conversion Facility // ASME 2009 Heat Transfer Summer Conference: Статья — Сан-Франциско, США, — 2009. Статья-С. 125-129.

3. Рестрепо Г. А. Энергетическая эффективность и понижение уровня загрязнения для МСП в г. Боготе. // Третья Международная научно -практическая конференция "Современные энергосберегающие тепловые технологии (сушка и термовлажностная обработка материалов) СЭТТ - 2008": Тез. Докл. - М., - 2008.- С. 236-237.

4. Рестрепо Г. А., Сергиевский Э. Д., Крылов А. Н. Моделирование процессов тепломассообмена в установке паровой конверсии // Пятнадцатая международная науч.—тех. конф. студентов и аспирантов; Радиоэлектроника* электротехника и энергетика: Тез. докл. В 3-х т. — М:, — 2009.— G. 393-394.

5. Рестрепо Г. А., Крылов А. П., Сергиевский- Э. Д. Моделирование кинетики и? тепломассообмена в реакторе паровой конверсии? метана // Шестнадцатая международная! науч.—тех; конф. студентов и аспирантов. Радиоэлектроника; электротехникае и энергетика: Тез. докл. В? 3-х т. — Mí, — 2009.- С. 423-424.

6. Restrepo G. A., Sergievsky Е. D. Diseño ■ conceptual dé procesos con recuperación termoquímica de calor (RTQ) y modelado de sus elementos // VII Congreso Internacional Interdisciplmario de Investigación Científica: Тез. докл. — Санто-Доминго. - 2011.- С. 211. .

Структура диссертационной; работы. Диссертация содержит 142 страницы* машинописного текста; и состоит из введения; 4 глав; заключения, списка использованной литературы (93) и приложений.

4.3. Выводы по главе

Разработанная математическая модель РР была использована не только для расчета локальных параметров (температура, давление, концентрация газов и др.), но также для проведения систематического анализа технологической схемы, в которой РР является частью системы ТХР. Его применение, однако, не ограничивается оценкой работы РР в различных условиях, но также может быть использовано для улучшения конструкционных параметров.

Термодинамический анализ системы ТХР показал её влияние на снижение расхода топлива в ВТУ, таких как стекловаренные печи и т.п., за счёт уменьшения выброса эксергии в атмосферу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Впервые разработана одномерная модель «РЭ-РР», которая учитывает влияние температуры, давления и концентрации на коэффициенты тепло- и массопереноса, что позволяет выделить основные закономерности нагрева и химического реагирования в реакционном элементе и определить наиболее эффективные режимы работы установки с ТХР.

2. Сопоставительный анализ, выполненный по результатам моделирования в вычислительном комплексе Fluent, численного расчета по одномерной математической, модели РЭ и экспериментальным данным, показал’ удовлетворительную сходимость. Погрешность не превышает 12%.

3. Разработана технологическая схема, промышленной печи- с ТХР (состоящая из подогревателей воздуха и газа, испарителя и перегревателя пара, реактора-рекуператора и сернистого адсорбера), которая позволяет определить влияние режимных параметров (температуры газовой смеси на входе и выходе РЭ) на эффективность ТХР.

4. Впервые установлено наиболее эффективное соотношение молярного потока водяного пара к молярному потоку метана во входящей в реактор-рекуператор смеси с целью термохимической рекуперации. Это соотношение должно быть равно двум.

5. Технология ТХР позволяет сократить расходы топлива на высокотемпературных установках до 33% по сравнению с ТР, поэтому может быть использована в стекловаренных установках, промышленных печах, переработке нефти, двигателях внутреннего сгорания и ГТУ.

1. Hasatani Masanobu. Highly efficient conversion technologies for energy utilization // Energy Conversion and Management. — 1997 — Vol. 38, № 10-13. — P. 931-940.

2. Sundmacher K., Kienle A., Seidel-Morgenstem A. Integrated chemical processes. Weinheim. Magdeburg: Willey-VCH. 2005. - 540 p.

3. Носач В.Г. Энергия топлива. Киев: Наукова думка, 1989. - 148 с.

4. Новосельцев В. Н., Тюрин А. И., Волков В. А., Шопшин М.Ф. и др. Опытная стекловаренная печь с глубокой регенерацией теплоты дымовых газов на гусевском заводе стекловолокна. — М., 1977. — 60 с.

5. Allen D. Т., Shonnard D. R. Green engineering. — Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2002. — 552 p.

6. Turton R., Bailie R., Whiting W, Shaewitz J. Analysis, synthesis, and design of chemical processes. — Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 1998. — 814 p.

7. Seider W. D., Seader J. D., Lewin D. R. Product and process design principles. 2nd ed. -New York, NY: John Wiley & Sons, 2004. — 802 p.

8. Peters M. , Timmerhaus K., West R. Plant design and economics for chemical engineers. 5th ed. New York, NY: Mc.Graw-Hill, 2003. — 992 p.

9. Beerkens R. G. C., Limpt J. van. Energy Efficiency Benchmarking of Glass Furnaces // 62nd Conference on Glass Problems: Ceramic Engineering and Science Proceedings, Vol. 23, № 1. — P. 93-106.

10. Perry R. HI, Green D. W. Perry's chemical engineers' handbook. 8th ed. New

11. York, NY.: Me. Graw-Hill, 2008.2400 p. ' •

12. Masashi K., Hasegawa T. The science and technology of combustion in highly preheated air // Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute. 1998. - P. 3135-3146.

13. Tsuji H., Gupta A., Hasegawa T. , Masashi K. , Kishimoto K., Morita K. High temperature air combustion. From energy conservation to pollution reduction. — Boca Raton: CRC Press, 2002. — 401 p.

14. A. c. № 228801 СССР, H02K 44/09, H02 04/00. Способ преобразования тепла в электрическую энергию / И. И . Перелетов; — Опубл. 10:08.68, Бюл. № 32

15. А. с. 308844 СССР, МКИ G10j 1/26, Н02 п 4/02. Способ утилизации тепла отходящих газов- МГД-генератора / В. Г. Носач, В. Н: Козлюк, Р. В. Марченко, Опубл. 05.04.78, Бюл. № 10f .

16. Перелетов И.’ И., Новосельцев В: Н., Шопшин* М. Ф. и др. К опытнопромышленным испытаниям' стекловаренной ^ печи с химической, регенерацией тепла. — В: сб:: Тр: . МЭИ. Энергетика1 высокотемпературной теплотехнологии, М., вып. 476, 1980 — С. 26-32.

17. Шопшин М.Ф. Исследование реактора-теплообменника паровой конверсии природного газа-в системе регенеративного теплоиспользования топливных печей: Автореф. дис. канд. техн. наук М.: МЭИ, 1979. - 20 с.

18. Шопшин М.Ф. и др. Химическая регенерация тепловых отходов топливных печей. М.: Химическая промышленность, 1981.

19. Olmsted J.H., Grimes P.G. Heat engine efficiency enhancement. ThroughtKchemical recovery of waste heat // Proceedings of 7 International Energy Conversion Engineering Conference. 1972. - P. 241-248.

20. Janes J. Chemically recuperated gas turbine // California Energy Commission Draft Staff Report 500-90-001. 1990.

21. Gas Technology Institute. Thermochemical fuel reforming for reciprocating internal combustion engines // Pier final project report for California Energy Commission. -2011.

22. Rostrup-Nielsen J. R. Steam reforming and chemical recuperation // Catalysis Today. 2009. - № 145. - P. 72-75.

23. Akiyama T, Oikawa K., Shimada Т., Kasai E. and Yagi J. Thermodynamic analysis of thermochemical recovery of high temperature wastes // ISIJ• International. 2000. — Vol. 40, №. 3. — P. 286—291.

24. Maruoka N., Akiyama T. Exergy recovery from steelmaking off-gas by latent heat storage for methanol production // Energy. — 2006. №. 31. — P. 1632-1642.

25. Verkhivker G., Kravchenko V. The use of chemical recuperation of heat in a power plant // Energy. — 2004. — № 29. — P. 379-388.

26. Abdallah H., Facchini B., Danes F., De Ruyck J. Exergetic optimization of intercooled reheat chemically recuperated gas turbine // Energy Conversion & Management. 1999. — № 40. —P. 1679-1686.

27. Крылов, A. H., Повышение эффективности стекловаренных печей на основе комплексной регенерации тепловых отходов, дисс. канд. тех. наук, М.: МЭИ, 2007.

28. Xu J., Froment G. F. Methane steam reforming, methanation and water-gas shift:

29. Intrinsic Kinetics // AIChE Journal. — 1989. — Vol. 35, №. 1. — P. 88-96.

30. Xu J., Froment G. F. Methane steam reforming, methanation and water-gas shift:1.. Diffusional limitations and reactor simulation // AIChE Journal. 1989. - Vol. 35, №. l.p. 97-103.

31. De Groote A. M, Froment G. F. Simulation of the catalytic partial oxidation of methane to synthesis gas // Applied Catalysis — 1996. — A: General. №. 138. — P. 245-264.

32. Hoang D. L., Chan S. H., Ding O. L. Kinetic and modeling study of methane steam reforming over sulfide nickel catalyst on a gamma alumina support // Chemical Engineering Journal. — 2005. — № 112. P. 1—11.

33. Wesenberg Margrete Hanes. Gas heated steam reformer model. Doctoral thesis. — Trondheim: Norwegian University of Science and Technology. 2006.

34. Posada A., Manousiouthakis V. Heat and power integration of methane reforming based hydrogen production // Ind. Eng. Chem. Res. 2005. — №. 44. - P. 91139119.

35. Sosna M. Kh., Pogorelov V. N., Buchek V. I., Evenchik N. S. Modeling of a methane reformer combined with a recuperative heat exchanger // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2004. - Vol. 38, №. 4. - P. 425-429.

36. Hoang D.L., Chan S.H. Modeling of a catalytic autothermal methane reformer for fuel cell applications // Applied Catalysis. — 2004. — A: General, № 268. — P. 207-216.

37. Anikeev V. I., Bobrin A. S., Ortner J. et al. Catalytic thermochemical reactor/receiver for solar reforming of natural gas: design and performance // Solar Energy. 1998. - Vol. 63, № 2 - P. 97-104.

38. Uemiya S., Sato N., Ando H., Matsuda Т., Rikuchi E. Steam reforming of methane m a hydrogen-permeable membrane reactor// Applied Catalysis. — 1990.- Vol. 67, № 1. P. 223-230.

39. Kweon C.-В., Zabransky R., Pratapas J. М., Khinkis M. Thermochemical recuperation systems for increased efficiency and reduced emissions from stationary reciprocating IC engines//NGT III Conf — 2005. — P. 1—20.

40. Крылов A. H., Попов С■ К., Сергиевский Э. Д. Моделирование процессов в регенеративном подогревателе технологического материала // Промышленная энергетика 2005.- №1. - С. 42-45.

41. Alves L.G., Nebra S.A. Basic chemically recuperated gas turbines — power plantoptimization an thermodynamics .second law analysis // Energy. -2004; № 29. -P. 2385-2395. . .

42. Alves L.G., Nebra S.A. Thermoeconomic Evaluation of a Basic Optimized Chemically Recuperated Gas Turbine Cycle.// Int.J. Thermodynamics. — 2003. — Vol. 6, №.1. P. 13-22.

43. Carapellucci R, Milazzo A. Thermodynamic optimization of a reheat chemically recuperated, gas turbine .// Energy Conversion and: Management — 2005. №. 46. — P. 2936-2953.

44. Lloyd A. Thermodynamics of chemically recuperated.gas turbines. Master thesis.

45. Princeton: Princeton University. — 1991. .

46. Mason; E. A;, Saxena S. C. Approximate formula for the, thermal conductivity of gas mixtures // Phys. Fluids. — 1958. — № 1. — P. 361-369.

47. Poling B. E., Prausnitz J. М., O'Connell J. P. The properties of gases and liquids. 5th ed. New York, NY: Mc.Graw-Hill, 2001. - 768 c.

48. Григорьев И.С., Мейлихов Е.З. Физичес1сие величины. Справочник. М.: Энергоатомиздат,Л991. 1234 с.

49. Incropera F.P., DeWitt D.P., Bergman T.L., Lavine A.S. Fundamentals of heat and mass transfer. 6th ed. New York, NY: John Wiley & Sons, 2007. — 997 c.

50. Reichenberg, D. The viscosities of pure gases at high pressures // Natl. Eng. Lab., Rept. Glasgow, 1975.

51. Reichenberg, D. New simplified methods for the estimation of the viscosities of gas mixtures at moderate pressures // Natl. Eng. Lab. Rept. Glasgow, 1977.

52. Froment G.F, Bischoff K.B. Chemical reactor analysis and design. — New York, NY: John Wiley & Sons, 1979. — 664 c.j

53. Treybal Robert. E. Mass-Transfer Operations. 3 ed. — Singapore: Mc.Graw-Hill, 1981. 784 c.

54. Fogler H. S. Elements of chemical reaction engineering. 4th ed. — Upper Saddle

55. River, NJ: Prentice Hall, 2006. — 1080 c. ,j

56. Modest M. F. Radiative heat transfer. 2 ed. San Diego CA: Academic Press,2003. 882 c.

57. Lallemant N., Weber R. A computationally efficient procedure for calculating gas radiative properties using the exponential wide band model // Int. J. Heat Mass Transfer. 1996. - Vol. 39, №. 15. - P. 3273-3286.

58. Churchill, S. W., Ozoe, H. Correlations for laminar forced convection with uniform heating in flow over a plate and in developing and fully developed flow in a tube // ASME J. Heat Transfer. 1973. - № 95. - P. 78-84.

59. Churchill, S. W., Ozoe, H, correlations for laminar forced convection in flow over an isothermal flat plate and in developing and fully developed flow in an isothermal tube // ASME J. Heat Transfer 1973. — № 95. — P. 416—419.

60. Muzychka Y. S., Yovanovich M. M. Laminar forced convection heat transfer in the combined entry region of non-circular ducts // Journal of Heat Transfer.2004.-Vol. 126.-P. 54-61.

61. Gnielinski, V. New equations for heat and mass transfer in turbulent pipe and channel flow // Int. Chem. Eng. — 1976. № 16. — P. 359—366.

62. Bejan A., Kraus A. D. Heat transfer handbook. — New Jersey, NY: John Wiley & Sons, 2003.-1480 c.

63. Baehr H. D., Stephan K. Heat and mass transfer, 2dn ed. — Berlin: Springer, 2006. -688 c.

64. Oppenheim A.K. Radiation analysis by the network method // Transactions of the ASME. 1956. - May. - P. 725-735.

65. Крейт Ф., Блэк У., Основы Теплопередачи. М.: Мир, 1983. - 512 с.

66. Cao Eduardo. Heat transfer in process engineering. — New York, NY: McGraw-Hill, 2010.-658 c.

67. Cussler E.L. Diffusion. Mass transfer in fluid systems. 3rd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. — 580 c.

68. Wijngaarden R. J., Kronberg A., Westerterp K. R. Industrial catalysis, optimizing catalysts and processes. — Weinheim: Wiley-VCH, 1998. — 285 c.

69. Levenspiel O. Chemical reaction engineering, 3rd ed. — New York, NY: John Wiley & Sons, 1999. 668 c.

70. Nauman E. B. Chemical reactor design, optimization and scale-up. — New York, NY: McGraw-Hill, 2002. 608 c.

71. Lee Jietae, Kim Dong Hyun. An approximation method for the effectiveness factor in porous catalysts // Chemical Engineering Science. — 2006. — № 61. — P. 5127-5136.

72. Kim Dong Hyun, Lee Jietae. A robust iterative method of computing effectiveness factors in porous catalysts // Chemical Engineering Science. — 2004. -№59. -P. 2253-2263.

73. Schneider P. Intraparticle diffusion in multicomponent catalytic reactions / In: Heinemann, H., Carberry, J.J. (Eds.) // Catalysis Reviews, Science and Engineering. — 1976. — Vol. 12. — P. 201—278.

74. Schneider P. Effectiveness factor for a non-isothermal simple catalytic reaction with combined transport processes: Maxwell-Stefan approach // Collection of Czechoslovak Chemical Communications. — 1998. — № 63. — P. 252—270.

75. Kern D. Q. Procesos de transferencia de calor. — México: Mc.Graw-Hill, 1950. -980 c.

76. Minhas H., Lock G. S. H. Laminar-turbulent transition in a bayonet tube // Int. J. Flow.- 1996. -№. 17.-P. 102-107.

77. Minhas H., Lock G. S. H., and Wu M. Flow characteristics of an air-filled bayonet tube under laminar conditions // Int. J. Heat and Fluid Flow. 1995. - №16.-P. 186- 193.

78. Churchill S. W. Friction-factor equations spans all fluid-flow regimes // Chem. Eng. Prog. 1997. - Vol. 24, № 84. - P. 91-92.

79. Аникеев А. А., Молчанов А. М., Янышев Д. С. Основы вычислительного теплообмена и гидродинамики. М.: Либроком, 2009. — 149 с.

80. Fluent, Inc. FLUENT 6.3 User's guide. Lebanon, NH, 2006.

81. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 152 с.

82. Сергиевский Э. Д., Овчинников Е. В., Крылов А. Н. Применение комплекса численного моделирования Fluent для задач промышленной теплоэнергетики: учебное пособие . М.: МЭИ, 2006. - 80 с.

83. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran М. Thermal design & optimization. New York, NY: John Wiley & Sons, 1996. - 542 c.

84. Rivero Ricardo. Application of the exergy concept in the petroleum refining and petrochemical industry // Energy Conversion and Management. — 2002. № 43. — P. 1199-1220.

85. Rivero R., García-Price R. El análisis de exergía aplicado al diseño de calentadores a fuego directo con sistemas integrales de precalentamiento de aire // XXV Convención Nacional del IMIQ, Inst. Mex. De Ing. Quím., San Luis Potosí. —1985. -P. 44.

86. Graveland A.J.G.G., Gisolf E. Exergy analysis: An efficient tool for process optimization and understanding // Computers them. Eng. 1998. - № 22, Suppl. -P. 545-552.

87. Rosena M. A., Dincera I., Kanoglu M. Role of exergy in increasing efficiency and sustainability and reducing environmental impact // Energy Policy. 2008. — №36.-P. 128-137.

88. Winter Carl-Jochen. Energy efficiency, no: It’s exergy efficiency! // International Journal of Hydrogen Energy. 2007. -№32.-P. 4109- 4111.

89. Бродянский, В. М. Эксергетический метод термодинамического анализа. М.: Энергия, 1973. — 295 с.

90. Назмеев Ю. Г., Конахина И. А., Теплоэнергетические системы и энергобалансы промышленных предприятий. М.: МЭИ, 2002. 406 с.

91. Saidur R., Ahamed J. U., Masjuki H. H. Energy, exergy and economic analysis of industrial1 boilers // Energy policy. 2010. - № 38. - P. 2188-2197.

92. Sorin М., Lambert J., Paris J. Exergy flows analysis in chemical reactors // Trans. IChemE. 1998. - № 76. - P. 389-395.

93. Labidi J., Boulet E., Paris J. On intrinsic exergy efficiency and heat pumps // Trans. IChemE. -2000. -№ 78. P. 180-183.

94. Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. М: Мир, 2009. — 462 с.