автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему: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

1 6 ИЮН 2011

4850219

Работа выполнена на кафедре «Промышленная теплоэнергетика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Щёлоков Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Печенегов Юрий Яковлевич

кандидат технических наук, доцент Тверской Алексей Константинович

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет», г. Екатеринбург

Защита состоится « 29 » июня 2011 г. в Ю00 на заседании диссертационного совета Д 212.242.07 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд. 159.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

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

Автореферат разослан « 27 » мая 2011 г. ! С

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В российской энергетике проблема нерационального использования энергии стоит особенно остро. По подсчетам экспертов потенциал повышения энергоэффективности в России оценивается около 40%. Высокая удельная энергоемкость российской экономики обусловила появление государственных программ по энергосбережению и повышению энергоэффективности. В соответствии с Указом Президента Российской Федерации «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»1: необходимо осуществить снижение к 2020 году энергоёмкости валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом, а также обеспечить 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 дымовыми газами (до 70%). В значительной мере повысить энергоэффективность этих установок можно за счет регенерации безвозвратно теряемого тепла. Среди известных способов регенерации тепла необходимо выделить термохимический как наиболее перспективный, т.к. он позволяет обеспечить практически полную регенерацию теплоты дымовых газов.

Патентно-информационный обзор по теме показал, что наиболее распространенным способом термохимической регенерации (ТХР) теплоты является ТХР за счет паровой конверсии метана. Однако крупным недостатком такого способа является повышенный, почти в 2 раза по сравнению со стехиометрическим, удельный расход пара. Достаточно указать, что даже при стехиометрическом расходе пара на конверсию метана энергетические затраты на его производство составляют 8-30% от располагаемого тепла в рабочей камере ВТУ, что соответственно снижает её КПД. В настоящей диссертационной работе произведено исследование термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания. Этот принцип регенерации теплоты основан на использовании бросовых ресурсов - тепла дымовых газов и их компонентов (Н20 и С02). Применение этого способа обуславливает появление больших резервов снижения удельной энергоемкости ВТУ.

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

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

вследствие применения изученного способа регенерации теплоты на примере кузнечной печи.

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

- разработка энерготехнологических схем термохимической регенерации теплоты дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания;

- изучение механизма химических реакций, протекающих в термохимическом реакторе; определение наиболее вероятных реакций;

- исследование термодинамики процесса ТХР - определение зависимости количества физической теплоты, трансформированной в химическую 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 реактора на основании разработанной математической модели;

- применение полученных результатов исследования для определения энергетической эффективности и экономической целесообразности использования предложенных энергосберегающих мероприятий на примере кузнечной печи.

Научная новизна:

1. Произведена оценка повышения энергетической и экономической эффективности работы ВТУ в результате внедрения способа термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания (на примере кузнечной печи).

2. Для процесса ТХР теплоты за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания определена зависимость количества физической теплоты трансформированной в химическую энергию от технологических 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 теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа высокотемпературными продуктами его полного сгорания и устройство для его реализации.

5. Разработана математическая модель термохимического реактора; произведено численное исследование процессов, протекающих в термохимическом реакторе.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных теоретических и экспериментальных данных, высокоточных методов компьютерного моделирования; хорошей сходимостью численных исследований термодинамики процесса и результатов расчета по одномерной модели процессов, протекающих в термохимическом реакторе.

Практическая значимость работы определяется полученными результатами исследования, которые могут быть использованы при проектировании схем термохимической регенерации теплоты ВТУ. На международной выставке НТТМ-2010 и ESE-2010 за НИОКР по проекту «Термохимическая регенерация теплоты» автор был удостоен медали «За успехи в научно-техническом творчестве». Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе технических ВУЗов, ведущих подготовку специалистов по направлениям 140100 «Теплоэнергетика», 150100 «Металлургия». Результаты исследования являются основой НИР №510/10 «Исследование процесса термохимической регенерации теплоты продуктов сгорания углеводородных газовых смесей», которая была выполнена по заказу Министерства образования и науки РФ.

Основные положения, выносимые на защиту: энерготехнологические схемы использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов; результаты термодинамического расчета процесса термохимической регенерации; математическая модель процессов, протекающих в термохимическом реакторе; результаты расчета энергетической и экономической эффективности использования термохимической регенерации теплоты на примере кузнечной печи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры «Промышленная теплоэнергетика» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет (Самара, 2008-2010 гг.); 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 научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых 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 «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2010); МИЦ «Система-Саров» (РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Сэров, 2010).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 12 публикациях, в том числе 6 статей в журналах из перечня ВАК РФ, 1 патент на полезную модель.

Объем и структура работы. Материал диссертации изложен на 142 страницах текста, содержит 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, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая ценность, обоснована целесообразность проведённого 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 увеличивается энергоэффективность ВТУ. Способ термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов является примером энергосберегающей, экологически чистой технологии.

В первой главе «Состояние вопроса и перспективы использования термохимической регенерации тепла для повышения эффективности работы энергетических установок» выполнен обзор схем и способов термохимической 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 эндотермической переработки исходного углеводородного топлива, которое при этом получает больший запас химически связанной энергии в виде возросшей теплоты сгорания. Если в традиционных ВТУ энергия топлива превращается 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 эндотермических реакций конверсии исходного топлива, в результате чего происходит увеличение его теплоты сгорания. Вторая - сжигание продуктов реакции, т.е. конвертированного газа, имеющего большую теплоту сгорания по сравнению с исходным топливом.

Показана эффективность использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов в составе различных энергетических установок, работающих на газовом топливе. Приводится информация

о том, что при внедрении схем термохимической регенерации теплоты помимо положительного энергетического эффекта достигается и положительный экологический эффект.

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

Рассмотрены перспективы использования ТХР теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания. Приведены разработанные и запатентованные автором энергоэффективные технические решения по использованию данного способа ТХР. Показано, что основным преимуществом способа термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания (рис. 1) является отсутствие дополнительных энергетических затрат на производство окислителя (водяного пара) ис-

Рис. 1. Принципиальная схема ВТУ с термохимической регенерацией теплоты отходящих дымовых газов 1 - воздухоподогреватель; 2 - ВТУ; 3 - термохимический реактор; а, Ь, с - отходящие дымовые газы; (1 - природный газ; е - конвертированный газ; Г- частично охлажденные дымовые газы; % - уходящие дымовые газы; 1 и Ь - холодный и горячий воздух, соответственно

ходного топлива и нагрева его до высокой температуры.

Во второй главе «Термодинамика термохимической регенерации теплоты» установлена функциональная зависимость количества трансформированной 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 функционирование системы ТХР теплоты отходящих дымовых газов.

Механизм процессов, протекающих в термохимическом реакторе, включает в себя ряд эндотермических и экзотермических реакций. За критерий 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):

СН4 + Н,0 = СО+ ЗН,- 206,1-^; (1)

МОЛЬ

СН4 + С02 = 2С0 + 2Н,-247,3—; (2)

ноль

СО + НгО = С02 + Н2+41,15-^. (3)

моль

В общем виде результирующее химическое уравнение, описывающее конверсию метана продуктами его полного сгорания:

СН4 + к(С02 + 2 Н2 О + 7,52Г^2) = = аСО + ЬН2+сС02 + с1Н20 + (1 - <2)СН4 + Ш2 - Д<1вш> (4) где а, Ь, с, с1, к - стехиометрические коэффициенты; ДQI<ИM - физическая теплота отходящих дымовых газов, трансформированная в химическую энергию конвертированного газа.

При стехиометрическом расходе компонентов реакции (4) в левой части уравнения ДС^м^гО.ЗкДж/моль. Величина Д<3Х1Ш показывает, какое количество физической теплоты отходящих дымовых газов было трансформировано в химическую энергию конвертированного газа. Д(3ХИМ зависит от степени конверсии метана равной отношению массы прореагировавшего метана и массы метана в сырьевом потоке:

АС!хим = ' (5)

где 0>Энд(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 количеством трансформированной физической теплоты в химическую энергию и технологическими параметрами. Для проведения термодинамического анализа были рассмотрены и решены системы уравнений материального баланса и уравнений закона действующих масс.

Схема преобразования потоков веществ в термохимическом реакторе изображена на рис. 2.

т. сог то ТХР СШ.СО, Н2

- аи сог Нго, N2

Рис. 2. Схема преобразования потоков в термо- Для анализа рассмат-

химическом реакторе ривался термохимическии ре-

актор удовлетворяющий следующим условиям:

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

б) тепловые потерн 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 равновесной (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 а=1; при достаточно высоких температурах, поддерживаемых в ходе протекания процесса, компоненты проявляют свойства идеального газа в том смысле, что химические потенциалы компонентов определяются их парциальными давлениями.

На рис. 3 показаны рассчитанные зависимости максимальной (равновесной) степени конверсии метана от температуры (рис. За.) и от отношения (3 (рис. 36.) при общем давлении в реакционном пространстве р=1бар. Параметр р характеризует состав исходной реакционной смеси р=р,+р2= (Н20 + С02):СН4. Из рис. За видно, что с ростом температуры увеличивается

равновесная (максимальная) степень конверсии. Так, для 0=1 (стехиомет-рический расход компонентов реакции) равновесная степень конверсии достигает значения, близкого к максимальному, при Т>1200 К, в тогда как для р=6 - при Т>960 К. Рис, 36 показывает, что с уменьшением концентрации метана в сырьевом потоке увеличивается его равновесная степень конверсии.

Отнтлснне р б

Рис. 3. Зависимость максимальной (равновесной) степени конверсии метана при р= 1 бар от температуры (а) и отношения Р (б)

Во всех реакциях с участием газообразных веществ, сопровождающихся изменением объема за счет изменения количества вещества при переходе 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 согласуется с принципом Ле-Шателье - Брауна.

Теоретически рассчитанные значения максимальной степени конверсии метана продуктами его полного сгорания и соответствующие ей равновесные составы конвертированного газа подтверждаются экспериментальными исследованиями совместной конверсии метана углекислым газом и водяными парами'. В физическом эксперименте2 достигалось состояние реагирующих компонентов на выходе из реактора максимально приближенное к равновесному.

Таблица 1

Составы равновесных газовых смесей (верхние значения - экспериментальные данные2; нижние - полученные автором)

Исходная смесь Температура реакции, К Состав конвертированного газа, %

С02 СО н2 Н20 СН4

СН4:Н20:С02= =1:1,3:0,7 1100 6,64 27,33 52,46 13,49 0,09

6,79 27,16 52,54 13,40 0,11

1200 5,56 28,44 51,53 14,46 0,01

5,72 28,28 51,68 14,31 0,01

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 калориметрических свойствах полученного конвертированного газа. Для определения эффективных режимов необходимо выбрать такое значение р, при котором выполняются следующие условия:

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

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

Было установлено, что максимальную эффективность система термохимической регенерации теплоты при Т=900 К, р=1 бар имеет при от-

' Lemonidou, A.A. Carbon dioxide reforming of methane over 5wt.% Ni/CaO-Al2C>3 catalysis / A.A. Lemonidou, I.A. Vasalos // Applied Catalysis A: General. - 2002. - №228. - P.227-235.

ношении рэф=2,2. Определение эффективных значений р для других температурных уровней показал, что с ростом температуры протекания процесса эффективное отношении (1 стремится к стехиометрическому ((3=1), так, при Т=1200 К, рэф~1,0.

Также было установлено, что для эффективного функционирования системы термохимической регенерации теплоты необходимо, чтобы степень конверсии метана в термохимическом реакторе была выше 0,7. Так, при (3=2,2 эффективная температура ТЭф>900 К. Верхняя граница эффективного температурного диапазона определяется термической стойкостью конструкции термохимического реактора.

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

В третьей главе «Математическая модель термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов» разработано математическое описание процессов, протекающих в термохимическом реакторе; разработан алгоритм расчета одномерной модели; и приведены результаты численного исследования, полученные на основании разработанной модели.

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

1 (Ц 2 3 4 5 6

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 - основного компонента природного газа, поступает в реакционный элемент, в котором нагревается путем конвекции от стенки РЭ и каталитической вставки. На каталитической вставке происходят реакции конверсии метана водяным паром и углекислым газов, которые содержатся в дымовых газах. В разработанной математической модели каталитическая вставка выполнена из катализатора ГИАП-3 (№0=10%, носитель А120з), однако модель

можно использовать и для катализаторов других типов при наличии достаточно точных данных по катализу реакции конверсии.

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

- термохимический реактор является реактором идеального вытеснения;

- для потока реакционной смеси можно выделить преимущественное направление движения;

- изменение теплофизических свойств реакционной смеси поперек потока незначительно по сравнению с соответствующими продольными изменениями;

- на расчетном элементарном участке Ах=Ат. (рис. 4.) скорость реакционной 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 описание модели процессов, протекающих в реакционном элементе с учётом принятых допущений, можно представить в виде системы уравнений: '¿С, Ркат 1

ёг Ррэ и

^ =~^аст(Тст -Тг)й!+акат(Ткат -ркат1(-ДН>Л1;

йг иЦ,рг ^ [у гг ) ^

ОГ0Еп_кат(Хл -ХгатНсат = Ркат' Хгат£(~К1} + акат(^кат "Х- )^кат'

Н

^(хст(Тст —Тг)8ст-(-сТ()£п ст(тдг — Тст)зст =аст(Тст — Тг)8ст+ст0еп_кат(тсг —Ткат)зкат,

где С( - концентрация ¿-го компонента, моль/м3; Г; - скорость образования или расходования ¿-го вещества, моль/(с-кгкат); г| - степень использования поверхности катализатора; ркат - плотность катализатора, кг/м3; Рках, Ррэ -площадь поперечного сечения каталитической вставки и реакционного элемента, соответственно, м2; и -скорость реакционной смеси, м\с; (-АН,) -тепловой эффект ^й реакции, кДж/моль; 8кат, 8СТ - площадь теплоотдаю-щей/теплопринимающей поверхности каталитической вставки и стенки, соответственно, м2; Уг - расход реакционной смеси, м3/с; Ср - теплоемкость смеси, кДж/(м3'К); Тг, Тст, Ткат - температура газовой смеси, стенкп реакционного элемента, каталитической вставки, К; рг - плотность газовой смеси, кг/м3; аст, а'ст, акат - коэффициенты теплоотдачи с поверхности

стенки реакционного элемента к реакционной смеси, от греющих дымовых газов к стенке реакционного и от каталитической вставки к греющим дымовым газам, Вт/(м2К); е„_кат, еп_ст - степень черноты каталитической вставки; оо - постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2-К4).

Модель химического реагирования разрабатывалась согласно кинетической теории Аррениуса с использованием современных данных по химической кинетике и катализу реакций паровой и углекислотной конверсии метана2'1. Исходные данные для моделирования определены на основании данных, полученных в главе II: 1ДГ=1000°С, 1Сн4=20°С; СН4:ДГ=1:3,51. Начальные и граничные условия для модели записаны как:

- входное сечение.РЭ (г=0): Тг=Тг(вх), ТДГ=ТДГ(ВХ); С,=С-1(ВХ);

- выходное сечение РЭ (г=Ь): ^2=0,75.

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

С помощью математической модели установлено, что степень конверсии метана £2=0,75 достигается при прохождении вдоль реакционного элемента 3,2 м для следующих начальных параметров: 1ДГ=1000°С, 1Сн4=20°С, СН4:ДГ=1:3,51, и=2 м/с; катализатор ГИАП-3 (N10=10%), <Зрэ=0,06 м, с1кат=0,04 м. Невязка теплового баланса по всей длине реакционного элемента составила 3,6%.

Рис. 5. Изменение степени конверсии метана по длине реакционного элемента

При прохождении реакционной смеси через реакционный элемент происходит изменение состава реакционной смеси. Как было сказано в главе

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

II, степень конверсии метана определяет количество физической теплоты дымовых газов трансформированной в химическую энергию конвертированного газа - нового синтетического топлива. Поэтому особенно важным является знать изменение степени конверсии метана по длине реакционного элемента. На рис. 5 показано изменение степени конверсии метана по длине реакционного элемента. Рис. 5 хорошо показывает, что на начальном участке реакционного элемента степень конверсии возрастает быстрее, чем на конечном участке. Это объясняется тем, что скорость конверсии метана на начальном участке ([0;1] м) больше, чем на конечном ([2;3]м) в 3,5-4 раза.

Распределение температур греющих дымовых газов, каталитической вставки и реакционной смеси по длине реакционного элемента представлено на рис. 6. Рис. 6 показывает, что на начальном участке реакционного элемента (0;0,5) м происходит незначительный рост температуры реакционной смеси и каталитической вставки. Объясняется это высокой разностью темпера-

0.5 I 1.5 2 2.5 Л

Длина реакционного элемента, м

Рис. 6. Распределение температур греющих дымовых газов, каталитической вставки и реакционной смеси по длине

реакционного элемента тур между греющими дымовыми газами и реакционной смеси, и каталитической вставки. Далее температуры каталитической вставки и реакционной смеси равномерно снижаются до температуры 608°С и 603°С. Температура греющих дымовых газов изменяется с 1000°С на входе до 708°С на выходе из реакционного элемента (рис. 6.).

В четвертой Главе приведено схемное решение использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов в составе кузнечной печи (рис. 7). В этой схеме ввиду низкого давления конвертированного газа (синтетического топлива) после термохимического реактора используется горелка с активной воздушной струей (классификация по ГОСТ 21204-97). Избыточное давление природного газа полезно используется в струйном насосе.

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

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 - вентилятор: Д - дымосос; Г - горелка с активной воздушной струей

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 (исследуемый способ регенерации теплоты).

Тепловые балансы кузнечной печи для нагрева 1 т/ч стали 45Х с начальной температурой 20°С до конечной температуры 850°С для схем 1-3 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.

Анализ баланса показал, что для схем 2 и 3 достигается практически полная регенерация теплоты отходящих дымовых газов. Однако в схеме 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.

йрьс

РЧ

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

Теплопритоки: 0,гв - теплота горячего воздуха; <2фХт - физическая теплота синт. Топлива; ()Х1Ш

- химическое тепло топлива; А<2Д.„„ - химически связанное физическое тепло. Теплопотери: (.~)отх - теплота отходящих дымовых газов; (2охл -охлаждение подовых труб; (2„ар -тепловые затраты на производство водяного пара; <2«роч - прочие тепловые потери (потери тепла через окна; потери через кладку теплопроводностью и др.); £)„..„. -тепло, идущее на нагрев металла

Рассчитанный удельный расход условного топлива на нагрев стали 45Х с начальной температурой 20°С до конечной температуры 850°С для сравниваемых схем приведен на рис. 9. Из рис. 9. видно, что применение термохимической регенерации теплоты за счет конверсии природного газа продуктами 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 экологию, снижая расход топлива, а, следовательно, и уменьшая вредные выбросы, и, таким образом, является методом борьбы не со следствием загрязнения окружающей среды, а с причиной, его вызывающей.

Оценка экономической эффективности в настоящей работе проводится в соответствии с «Методическими рекомендациями по оценки эффективности инвестиционных проектов». Коммерческая эффективность

3.№т

а-

12-0.9■ 0.60.30.0 .

I

Ж-

%

Я

1 2 3 ■

Рис. 8. Тепловой баланс кузнечной печи производительностью 1 т/ч

1 2 3

Рис. 9. Сравнение удельного расхода условного топлива ((2/=29,ЗМДж/кг) для различных схем кузнечной печи

внедрения системы термохимической регенерации определялась через сравнение чистого дисконтированного дохода (интегрального эффекта):

Эинт =ЧДД = ¿Э( ■ а, - ¿К, - а,, (10)

1=0 1=0

где Э1 - эффект в 1-м году реализации проекта (без дисконтирования), руб./год; Т - горизонт расчета (расчетный период), лет; К, - капитальные вложения в ^м году (без дисконтирования), руб.; а,=(1+Е)~1- 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.

Энергетическая сопоставимость вариантов схем термохимической регенерации теплоты обеспечивается одинаковой производительность кузнечной печи по нагретому металлу 1 т/ч.

Сравнительный анализ экономической эффективности использования схем регенерации теплоты отходящих дымовых газов проводился с учетом динамики цен на природный газ: при Цпг^2300 руб./тыс. м3 и при ЦП[^5()00 руб./тыс. м3. Для схемы 3 имеют место максимальные эксплуатационные издержки, связанные с затратами на электрическую энергию, т.к. используются горелки с активной воздушной струей. Для схемы 2 имеются максимальные капитальные затраты, т.к., помимо термохимического реактора, необходима установка парогенератора. Изменение ЧДЦ по годам горизонта расчета при Ц^ЗЗОО руб./тыс.м3 и при Цп^=5000 руб./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 Цп^=5000 руб./тыс.м3 для схемы 3. Это объясняется 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 регенерирован-

Рис. 10. Изменение чистого дисконтированного дохода по годам горизонта расчета

ного тепла. При Цпг=5000 руб./тыс.м3 ЧДД для сравниваемых схем равен: 1 -4176,7 тыс.руб.; 2 - 3884,6 тыс.руб.; 3 - 4578,0 тыс.руб.

Минимальная стоимость природного газа, при которой будет экономически целесообразно внедрять термохимическую регенерацию теплоты за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания (индекс доходности ИД>1) составляет 1860 руб/тыс. м3.

ВЫВОДЫ

1. Анализ энергетической эффективности разработанных энергосберегающих решений показал, что применение ТХР теплоты отходящих дымовых газов для кузнечной печи обеспечивает снижение расхода топлива на 25% относительно традиционной схемы с подогревом дутьевого воздуха до 500°С, и на 12% относительно схемы с термохимической регенерацией теплоты за счет паровой конверсии природного газа

2. Разработаны и запатентованы схемы использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания. Разработан и запатентован термохимический реактор для каталитической конверсии природного газа.

3. Установлена зависимость количества трансформированной физической теплоты отходящих дымовых газов в химическую энергию конвертированного 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 р=2,2 равна ТЭф>900 К; при Т=1200К, (3^=1,0.

4. Выполнено математическое моделирование процессов, протекающих в термохимическом реакторе, которое позволило определить эффективность использования ТХР при различных конструктивных параметрах реактора и режимах работы. Разработано математическое описание процессов, протекающих в термохимическом реакторе; разработан алгоритм расчета одномерной модели.

5. С помощь математической модели установлено, что степень конверсии метана ¿^=0,75 достигается при прохождении вдоль реакционного элемента 3,2 м для следующих начальных параметров: 1Д1=1000°С, 1СН4=20°С, СН4:ДГ=1:3,51, и=2 м/с; катализатор ГИАП-3 (N¡0=10%), с1рз=0,06 м, ¿Кат=0,04 м. Невязка теплового баланса по всей длине реакционного элемента составила 3,6%.

6. Выполнен сравнительный экономический анализ для различных схем регенерации теплоты отходящих дымовых газов с учетом динамики цены 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=2300 руб./тыс. м3 равен 1236,1; 430,0; 634,3 тыс.

руб.; при Цпг=5000 руб./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 природного газа продуктами его полного сгорания.

7. Минимальная стоимость природного газа, при которой будет экономически целесообразно внедрять ТХР теплоты за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания составляет 1860 руб./тыс.м .

Основные результаты работы опубликованы в научных трудах

Журналы, рекомендованные ВАК РФ

1. Пащенко, Д.И. Производство водорода в системах химической регенерации теплоты дымовых газов / Д.И. Пащенко // Альтернативная энергетика и экология. - 2009. -№6 (74). - С. 11-15.

2. Пащенко, Д.И. Использование термохимической регенерации теплоты в огнетехнических установках / Д.И. Пащенко // Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки. - 2009. - №3 (25). - С. 232-236.

3. Пащенко, Д.И. Производство и использование синтез-газа в системах термохимической регенерации теплоты / Д.И. Пащенко, А.И. Щелоков // Альтернативная энергетика и экология. - 2009. -№12 (80). - С. 10-14.

4. Пащенко, Д.И. Снижение выбросов С02 при сжигании термически обработанного углеводородного топлива / Д.И. Пащенко // Экология и промышленность России. - 2010. — №3. - С. 12-14.

5. Пащенко, Д.И. Определение максимальной степени конверсии метана продуктами полного сгорания природного газа / Д.И. Пащенко // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. -№3(46).-С. 143-150.

6. Пащенко, Д.И. Сравнительная оценка энергетической эффективности 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 B01J 8/02. Реактор для проведения каталитических процессов / Д.И. Пащенко; заявитель и патентообладатель Самар. гос. техн. ун-т. - за-явл.№2009129848/22; опубл. 27.12.09. Бюл. №26. -6 с.

В других изданиях (наиболее значимые):

8. Пащенко, Д.И. Повышение эффективности использования топлива в промышленных огнетехнических установках / Д.И.Пащенко // Научное творчество XXI века: сб. науч. трудов Ежегодной научной конференции учащихся, студентов и молодых ученых: в 2 т. Т.2. - Красноярск: Науч,-информ. изд. 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 Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых; под ред. Е.В. Торопова. - Челябинск: Изд. центр ЮУрГУ, 2009. - С. 106-109.

Ю.Пащенко, Д.И. Способ утилизации теплоты высокотемпературных дымовых газов / Д.И. Пащенко // Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: сб. матер. Всерос. науч.-практ. конф. и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых 14-18.12.2009 г. - 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 reforming of methane / D.I. Pashchenko // Perspective innovations in science, education, production and transport '2010. - Odessa, 2010. - P. 68-69.

Подписано в печать 25.05.11 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,16 (1,25) Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 101 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛА ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ВТУ.

1.1 Термическая регенерация.

1.2 Использование термохимической регенерации теплоты на базе паровой конверсии природного газа.131.3 Перспективы использования термохимической регенерации теплоты за счет конверсии природного газа продуктами его полногосгорания.

1.3.1 Энергоэффективное техническое решение термохимической регенерации теплоты через поверхность нагрева.

1.3.2 Термохимическая регенерация теплоты при конверсии природного газа продуктами сгорания на нагретом катализаторе.

1.3.3 Технологическое использование схемы термохимической регенерации теплоты с интегрированным мембранным реактором.

1.4 Постановка целей и задач исследования.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА II. ТЕРМОДИНАМИКА ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ.

2.1 Механизм процесса.

2.2 Балансовые уравнения.

2.2.1 Уравнения материального баланса.

2.2.2 Уравнения энергетического баланса.

2.2.3 Состав конвертированного газа.

2.3 Максимальная степень конверсии метана.

2.4 Эффективные технологические параметры функционирования системы термохимической регенерации теплоты.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ II.

ГЛАВА III. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ОТХОДЯЩИХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ.

3.1 Математическое описание модели прямоточного реакционного элемента.

3.2 Модель химического реагирования.

3.3 Расчет массообменных процессов на элементарном участке.

3.4 Теплообменные процессы на элементарном участке.

3.5 Определение теплофизических свойств реакционной смеси.

3.6 Описание алгоритма расчета.

3.7 Ввод начальных данных.

3.8 Результаты расчетов процессов тепломассообмена.

3.8.1 Показатели массообмена.

3.8.2 Результаты расчета теплообмена в реакционном элементе.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ III.

ГЛАВА IV. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ НА ПРИМЕРЕ КУЗНЕЧНОЙ ПЕЧИ.

4.1 Схемное решение использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов

4.1.1 Схема кузнечной печи с термохимической регенерацией теплоты отходящих дымовых газов.

4.1.2 Термохимический реактор.

4.2 Тепловой баланс в рабочей камере печи.

4.3 Сравнительная оценка энергетической эффективности.

4.4 Экологическая эффективность.

4.5 Сравнительный анализ экономический эффективности.

4.6 Расчет основных показателей экономической эффективности.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ IV.

ВЫВОДЫ.

Актуальность темы. Прогнозные оценки специалистов Международного энергетического агентства (International Energy Agency) [96] показывают, что в ближайшие 100-150 лет основным видом топлива в мире останется углеводородное сырье - нефть и газ.

В российской энергетике проблема нерационального использования энергии стоит особенно остро. По подсчетам экспертов потенциал повышения энергоэффективности в России,оценивается около 40%. Высокая удельная энергоемкость российской экономики обусловила появление государственных программ по энергосбережению и повышению энергоэффективности. В соответствии с Указом Президента Российской Федерации «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эффективности российской экономики»: необходимо осуществить снижение к 2020 году энергоёмкость валового внутреннего продукта Российской Федерации не менее чем на 40% по сравнению с 2007 годом, а также обеспечить рациональное и экологически 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 дымовыми газами (до 70%). В значительной мере повысить энергоэффективность этих установок можно за счет регенерации безвозвратно теряемого тепла. Среди известных способов регенерации тепла необходимо выделить термохимический как наиболее перспективный, т.к. он позволяет достигать практически полной регенерации теплоты отходящих дымовых газов.

Патентно-информационный обзор литературы по теме исследования показал, что наиболее распространенным способом термохимической регенерации (ТХР) теплоты является ТХР за счет паровой конверсии метана. Однако, крупным недостатком такого способа является повышенный, почти в 2 раза по сравнению со стехиометрическим, удельный расход пара.

Достаточно указать, что даже при стехиометрическом расходе пара на конверсию метана энергетические затраты на его производство составляют 810% от располагаемого тепла в рабочей камере ВТУ, что соответственно снижает её КПД.

В настоящей диссертационной работе произведено исследование термохимической регенерации теплоты за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания. Этот принцип регенерации теплоты основан на использовании бросовых ресурсов - тепла дымовых газов, и их компонентов (НгО и С02). Применение этого способа обуславливает появление больших резервов снижения удельной энергоемкости ВТУ.

Целью работы является изучение способа повышения энергетической эффективности ВТУ за счет термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов путем конверсии природного газа продуктами его полного сгорания; оценка повышения энергетической эффективности вследствие применения изученного способа регенерации теплоты; на примере кузнечной печи.

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

- разработка энерготехнологических схем термохимической регенерации теплоты дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания;

- изучение механизма химических реакций, протекающих в термохимическом реакторе; определение наиболее вероятных реакций;

- исследование термодинамики процесса ТХР - определение зависимости количества физической теплоты трансформированной в химическую энергию от технологических параметров: температуры, давления и состава реакционной смеси;

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

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

- применение полученных результатов моделирования для определения энергетической эффективности и экономической целесообразности использования предложенных энергосберегающих мероприятий на примере кузнечной печи.

Научная новизна:

1. Произведена оценка повышения энергетической* и экономической эффективности работы ВТУ в результате внедрения способа термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания (на примере кузнечной печи).

2. Для процесса ТХР теплоты за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания определена зависимость количества физической теплоты трансформированной в химическую энергию от технологических 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 теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа' высокотемпературными продуктами его полного сгорания и устройство для его реализации.

5. Разработана математическая модель термохимического реактора; произведено численное исследование процессов, протекающих в термохимическом реакторе.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием современных теоретических и экспериментальных данных, высокоточных методов компьютерного моделирования; хорошей сходимостью численных 7 исследований термодинамики процесса и результатов расчета по одномерной модели процессов, протекающих в термохимическом реакторе.

Практическая значимость работы определяется полученными результатами исследования, которые могут быть использованы при проектировании схем термохимической регенерации теплоты ВТУ. На международной выставке НТТМ-2010 и Е8Е-2010 за НИОКР по проекту «Термохимическая регенерация теплоты» автор был удостоен медали «За успехи в научно-техническом творчестве». Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе технических ВУЗов, ведущих подготовку специалистов по направлениям 140100 «Теплоэнергетика», 150100 «Металлургия». Результаты исследования являются основой НИР №1.02.37 «Исследование процесса термохимической регенерации теплоты продуктов сгорания углеводородных газовых смесей», которая была выполнена по заказу Министерства образования и науки РФ (приложение I).

Основные положения, выносимые на защиту: энерготехнологические схемы использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов; результаты термодинамического расчета процесса термохимической регенерации; математическая модель процессов, протекающих в термохимическом реакторе; результаты расчета энергетической и экономической эффективности использования термохимической регенерации теплоты на примере кузнечной печи.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры

Промышленная теплоэнергетика» ГОУ ВПО «Самарский государственный технический университет (Самара, 2008-2010гг.); Международной научнопрактической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Одесса, 2009); Всероссийской научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых

Проблемы теплоэнергетики» (Челябинск, 2009-2010); Всероссийской научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и 8 молодых ученых «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2009); XVI-XVII Международной научно-практической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2010-2011); Международной выставке «Научно техническое творчество молодежи 2010» (Москва, 2010); «Expo-Science Europe 2010» (Москва, 2010); Russian - Balkan Forum «Innovations in Education, Science and Technologies» (Serbia, Belgrade, 2010); Международной научной конференции «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики- и пути их решения» (Саратов, 2010); МИЦ «Система-Саров» (РФЯЦ-ВНИИЭФ; г. Саров, 2010).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 12 публикациях, в том числе 6 статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 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.

выводы

1. Анализ энергетической эффективности разработанных энергосберегающих решений показал, что применение ТХР теплоты отходящих дымовых газов для кузнечной печи обеспечивает снижение расхода топлива на 25% относительно традиционной схемы с подогревом дутьевого воздуха до 500°С, и на 12% относительно схемы с термохимической регенерацией теплоты за счет паровой конверсии природного газа

2. Разработаны и запатентованы схемы использования термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания. Разработан и запатентован термохимический реактор для каталитической конверсии природного газа.

3. Установлена зависимость количества трансформированной физической теплоты отходящих дымовых газов в химическую энергию конвертированного 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 (3=2,2 равна Тэф>900К; при Т= 1200К, рэф~1,0.

4. Выполнено математическое моделирование процессов, протекающих в термохимическом реакторе, которое позволило определить эффективность использования ТХР при различных конструктивных параметрах реактора и режимах работы. Разработано математическое описание процессов, протекающих в термохимическом реакторе; разработан алгоритм расчета одномерной модели.

5. С помощь математической модели установлено, что степень конверсии метана ^2=0,75 достигается при прохождении вдоль реакционного элемента 3,2 м для следующих начальных параметров: 1ДГ=1000°С, ^Н4=20°С, СН4:ДГ= 1:3,51, и=2м/с; катализатор ГИАП-3 (№0-10%),

Зрэ=0,06м, с!кат=0,04м. Невязка теплового баланса по всей длине реакционного элемента составила 3,6%.

6. Выполнен сравнительный экономический анализ для различных схем регенерации теплоты отходящих дымовых газов с учетом динамики цены 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.м равен 1236,1; 430,0; 634,3 тыс.руб.; при Цпг=5000руб./тыс.м3 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 природного газа продуктами его полного сгорания.

7. Минимальная стоимость природного газа, при которой будет экономически целесообразно внедрять ТХР теплоты отходящих дымовых газов за счет конверсии природного газа продуктами его полного сгорания (индекс доходности ИД>1) составляет 1860 руб./тыс.м .

1. Варгафтик, Н1Б. Справочник по теплофизическим. свойствам газов/ и жидкостей. М.: Физматгиз, 1963. - 708 с.

2. Верхивкер, Г.П. Химическая регенерация- теплоты в парогазовых установках / Г.П. Верхивкер, Абу-Эльджадаиль Кахер, В.П. Кравченко // Труды Одесс. политех, ин-та. 2000. - №3. - С. 2-3.

3. Идин, А. Горючее каким, ему быть? / А. Идин // Двигатель №5 (47), 2006.-С.86-91.

4. Кафаров, В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств / В.В. Кафаров, М.Б. Глебов. М.: Высш. шк., 1991. - 400с.

5. Каширский, В.Г. Расчётные характеристики процессов неполного горения топлива / В.Г. Каширский, В.Н. Лункин, В.П. Удалов, -М.: Энегрия, 1974.

6. 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.

7. Кожевников, H.H. Практические рекомендации по использованию методов^ оценки- экономической эффективности- инвестиций в энергосбережение: Пособие для вузов. / H.H. Кожевников, Н.С. Чинакаева, Е.В. Чернова. -М.: Издательство МЭИ, 2000. 132 с.

8. Компаниец, В.З. Химические реакции в турбулентных потоках газа и плазмы / В.З. Компаниец, A.A. Овсянников, Л.С. Полак. М.: Наука, 1979.-240с.

9. Корабельников, A.B. Химическая регенерация тепла и преобразование топлива в энергетических установках A.B. Корабельников, А.Л! Куранов, С.С. Рыжиков. СПб.: Научно-исследовательское предприятие гиперзвуковых систем. - 2006. - с. 1-12.

10. Корабельников A.B. Термохимический принцип охлаждения на основе реакции паровой конверсии метана / A.B. Корабельников, В.А. Курганов, Ю.А. Зейгарник, И.В. Маслакова // Теплоэнергетика. 1996. -№3. С. 53-58.

11. Косинов, О.И. Исследование влияния интенсификации теплообмена на образование окислов азота в топках котлов.: дисс. Канд. Тех. Наук: 05.14.04: защищена 1-2.01.76: утв. 20.01.76 / Косинов Олег Иванович. -К., 1976.-156 с.

12. Круглов, И.Н. Исследование тепломассообмена и совершенствование способа паровой конверсии природного газа / И.Н. Круглов. Автореф. Диссерт. . канд. Технич. Наук. Череповец, Череповецкийгосударственный университет, 2005. — 20с.120

13. Круглов, М.Г. Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах. Тезисы докладов Всесоюзной науч. техн. конференции / Под ред. М.Г. Круглова. -М.: Изд. МВТУ, 1987. - 189с.

14. Кузнецов, В.В. Процессоры для получения водорода с использованием микро и нанотехнологий / В.В. Кузнецов, О.В. Витовский // Материалы II Международного форума «Водородные технологии; для развивающегося мира», 2008. С. 27-29.

15. Куранов, В.М; Расчет элементов тепловой защиты гиперзвукового летательного аппарата- / АЛ. Куранов, A.B. Корабельников, В.М. Метальников // Прикладная физика, 1997, №4. С. 86-92.

16. Лавров, НШ. Физико-химические основы процесса горения топлива: / Н.В. Лавров. М.: Наука, 1971. - 272с.

17. Лавров Н.В. Термодинамика реакций газификации и синтеза из газов?/ Н.В. Лавров, В.В: Коробов, В.И. Филиппова; М.: Ин-т горючих ископаемых, 1960. - 99с.

18. Лавров Н.В. Процессы горения топлива и защита окружающей-среды / Н.В. Лавров, Э.И. Розенфельд, Г.П. Хаустович. -М.: Металлургия, 1981. -240с.

19. Лавров, Н.В. Введение в теорию горения и газификации топлива / Н.В. Лавров, А.П. Шурыгин. -М.: Акад. наук СССР, 1962.-215с.

20. Липатов, Л.Н. Типовые процессы химической технологии как объекты управления / Л.Н. Липатов. -М.: Химия, 1983. 320с.

21. Лункин В.Н. Воздушно-кислородная конверсии природного газа / Н.В. Лункин, В.П. Удалов, Ю.А. Жебрак. Саратов. Изд-во Сарат. ун-та. -1986.-128с.

22. Лушпа, А.И. Основы химической термодинамики и кинетики химических реакций / А.И. Лушпа. М.: Машиностроение, 1981. - 240с.

23. Мирский, Ю.А. Нагревательные и термические печи в машиностроении / Л.Г. Сатановский, Ю.А. Мирский. М.: Металлургия, 1971.-384 с.

24. Михеев, В.П. Газовое топливо и его сжигание / В.П'. Михеев. Л.: Недра, 1966.-328 с.

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

26. Ольховский, Г.Г. Разработка перспективных энергетических ГТУ / Г.Г. Ольховский // Теплоэнергетика. 1996. - № 4. - С. 66-75.

27. Патент на полезную модель №89980 Российская Федерация, МПК B01J 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 е.: ил.

28. Пащенко, Д.И. Производство водорода в системах химической#регенерации теплоты дымовых газов / Д.И. Пащенко// Альтернативная энергетика и экология. 2009. - №6 (74). - С. 11-15.

29. Пащенко; Д;И; Использование термохимической регенерации теплоты в огнетехническихустановках / Д.И. Пащенко // Вестник СамГТУ. Серия «Технические науки». 2009. - №3(25): - С.232-236.

30. Пащенко, Д;И. Уменьшение выбросов диоксида углерода при сжигании термически обработанного газового топлива? / Д.И. Пащенко // Промышленная энергетика. 2010. - №1.- С. 56-581

31. Пащенко, Д.И. Снижение выбросов С02 при. сжигании термически обработанного'углеводородного топлива / Д.И. Пащенко // Экология и промышленность России. 2010.-№3. - С. 12-14.

32. Пащенко, Д.И. Сравнительная оценка энергетической; эффективности применения термохимической; регенерации- теплоты- дымовых газов; / Д.И; Пащенко // Промышленная энергетика: — 2010. — №11. С. 8-10.

33. Пащенко, Д.И. Определение максимальной степени конверсии, метана продуктами полного сгорания* природного газа / Д.И. Пащенко' // Вестник Саратовского государственного технического университета. — 2010. №3 (46). - С. 143-150;

34. Российская Федерация. Президент (2008- ; Д.А. Медведев). Указ президента Российской Федерации №889 от 4 июня 2008 года.

35. Семененко, H.A. Вторичные энергоресурсы промышленности и энерготехнологическое комбинирование / H.A. Семененко. М.: Энергия, 1983.

36. Семенов, В.П. Производство технологического газа для синтеза аммиака и метанола из углеводородов / В.П. Семенов. — М.: Химия, 1971.-288с.

37. Симонов, В.Ф. Технико-экономическая оптимизация при проектировании низкотемпературных теплотехнологических установок: Учеб. Пособие / В.Ф.Симонов, Сарат. гос. техн. Ун-т. Саратов, 1993. -84 с.

38. Соколов, Е.Я. Струйный аппараты. Изд. 2-е. // Е.Я. Соколов, Н.М. Зингер. -М.: Энергия, 1970.-288 с.

39. Тебеньков, Б.П. Рекуператоры для промышленных печей / Б.П. Тебеньков. М.: Металлургия, 1975. - 362 с.

40. Теснер, П.А. Образование углеродов из углеводородов газовой фазы / П.А. Теснер. -М.: Химия, 1972. 136 с.

41. Тайц, Н.Ю. Расчет нагревательных печей. / Под общ. ред. Н.Ю. Тайца -Киев.: Техшка, 1969. 540 с.

42. Федеральный закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации»: собрание законодательства РФ, 2009, №48, ч. 1, ст. 5711. М.: 2009.

43. Федоров, Н.А. Техника и эффективность использования газа 7 Н.А. Федоров. М.: Недра, 1983. - 311 с.

44. Щёлоков, А.И. Математическая модель сажеобразования при сжигании природного газа: 1. Кинетическое уравнение и критическаятемпература процесса дегидрогенизации / А.И: Щёлоков, А.Г. Блох // Инженерно-физический журнал. 1990. - №3(59). -С.492-498.

45. Щёлоков, А.И. Производство и использование синтез-газа в системах термохимической регенерации теплоты / А.И. Щелоков, Д.И. Пащенко, // Альтернативная энергетика и экология. 2009. - №12 (80). - С. 10-14.

46. Щукин, А.А. Газовое и печное хозяйство заводов / А.А. Щукин. М.: Энергия. - 1966: - 232с.

47. Abashar, М.Е.Е. Coupling of steam and: dry reforming of methane in catalytic fluidized bed membrane reactors / M.E.E. Abashar // International Journal of Hydrogen ¡Energy. 2009. - № 29. - P.799-808.

48. Abdallah, Hi Thermodynamic analysis of chemically recuperated' gas turbines / H. Abdalliah, S. Harvey // International Journal Thermo Science. -2001.-№40-P. 372-384.

49. Ahmed, S. Hydrogen from hydrocarbon fuels for fuel cell / S. Ahmed, M. Krumpelt // International Journal of Hydrogen Energy.- 2009. №26, P.291-301!.

50. Anfray, J. Kinetic study and modeling of Fisher-Tropsch reaction over a Co/A1203 catalyst in a slurry reactor / J. Anfray, M.Bremaud, A. Khodakov, SJallias // Chemical Engineering Science. 2007. - №62. -P.5353-5359.

51. Basile, A. Pd-Ag tubular membrane reactors for methane dry reforming; A, reactive method for C02 consumption and H2 production / F. Gallucci, S.

52. Tosti, A. Basile // Journal of Membrane Science. 2008. - № 317.- p. 96105.

53. Cao, W. Exergy regeneration in an 02/C02 gas turbine cycle with chemical recuperation by C02 reforming of methane / W. Cao, D. Zheng // Energy Conversion and Management. 2006. - № 47. - P.3019-3030.

54. Chan, S.H. Carbone monoxide yield in natural gas autothermal reforming process / S.H. Chan, H.M. Wang // Journal of Power Sources. 2001. - №10. -P.188-195.

55. Daza, C.E. C02 reforming of methane over Ni/Mg/Al/Ce mixed1 oxides7 C. E. Daza, J. Gallego, J. A. Moreno // Catalysis Today. 2008. - №135. -P.357—366.

56. Ding, O.L. Kinetic and modeling study of methane steam reforming over a gamma alumina support // O.L. Ding, D.L. Hoang, S.H. Chan. Chemical Engineering Journal:-2005.-№112. -p.1-11.

57. Fiaschi, D. Exergy analysis of the recuperative auto thermal reforming (R-ATR) and recuperative reforming (R-REF) power cycles with C02 removal / D. Fiaschi, L. Tapinassi // Energy. 2009.- №29.-P.2003-2024.

58. Froment, G.F. Production of synthesis gas by steam- and C02-reforming of natural gas / G.F. Froment // Journal of Molecular Catalysis. A: Chemical. -2000.-№32.-P.54-61.

59. Gallucci, F. A Simulation- study of the steam reforming of methane in a dense tubular membrane reactor / F. Gallucci, L.Paturzo, A.Basile // International Journal of Hydrogen Energy. 2004. - №29. -P.611 - 617c.

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

61. Jones, G. First principles calculations and experimental insight into methane steam reforming over transition metal catalysts / G. Jones, J. Geest Jakobsen, S.S. Shim // Journal of Catalysis. 2008. - №259. - P. 147-160.

62. Keyur S. P. Modeling and simulation of methane steam reforming in a thermally coupled membrane reactor / S. P. Keyur, K. S. Aydin // International Journal of Hydrogen Energy. 2007. - №32. - P.2344 - 2358.

63. Kesser, K.F. Analysis of basic chemically recuperated gas turbine power plant / K.F. Kesser, M.A. Hoffman, J.W. Baughn // Journal of Engineering for Gas Turbines and Power.- 1994. №116.P.277-284.

64. Klein, J. M. Direct methane solid oxide fuel cell working by gradual internalsteam reforming: Analysis of operation / J.-M. Klein, Ml Henault, C. Roux,i

65. Y. Bultel, S. Georges // Journal of Power Sources. 2009. - №132. - P.437-443.

66. Levent, M. Production of hydrogen-rich gases from steam reforming of methane in an automatic catalytic microreactor / M. Levent, D.J. Gunn, M.A. Bousiffi // International Journal of Hydrogen Energy. 2008. - №28. - P.945-959.

67. Lemonidou, A.A. Carbon dioxide reforming of methane over 5wt.% Ni/CaO-A1203 catalysis / A.A. Lemonidou, I.A. Vasalos // Applied Catalysis A: General. 2002. - №228. - P.227-235.

68. Maestri, M. Steam and dry reforming of methane on Rh: Microkinetic analysis and* hierarchy of kinetic models / M. Maestri, D.G. Vlachos, A. Beretta, G. Groppi, E. Tronconi // Journal of Catalysis. 2008. - №259. - P. 211-222.

69. Mattocks, G.R. Reforming natural gas with recirculated waste-gas to improve the efficiency of oxy-fuel fired furnaces / G.R. Mattocks // Glass Technology. 2002. - №1. - P.l-5.

70. Miyamoto, Y. Steam reforming of ethanol over nickel molybdenum carbides for hydrogen production / Y. Miyamoto, M. Akiyama,M. Nagai // Catalysis Today. 2009. - №145. - P.527-534.

71. Nandini, A. Kinetic study of'the catalytic carbon dioxide reforming ofmethane to synthesis gas over Ni-K/Ce02-Al203 catalyst / A. Nandini, K.K.

72. Pant //Applied Catalysis: A General. 2006. - №308. - P.l 19-127.127

73. Olmsted, J.H. Heat engine efficiency enhancement through chemical recovery of waste heart / J.H. Olmsted, P.G. Grimes // Proceedings of 7th International Energy Conversion Engineering Conference. 1972. P. 241-248.

74. Patel, K.S. Modeling and simulation of methane steam reforming in a thermally coupled membrane reactor / K. S. Patel, A. Sunol // International Journal of Hydrogen Energy. 2007. - №32. - P.2344 - 2358.

75. Pat. 4,750,986 USA. Steam reforming / Alwyn Pinto.; date of patent Aug. 13, 1991.

76. Pat. 5,595,059 USA Combined cycle power plant with thermochemical recuperation and flue gas recirculation / David J. Huber, Ronald L. Bannister, Mark J. Khinkis, J.K. Rabovitser.; date of patent Jan. 21', 1997.

77. Pat. 5,958,364 USA Heat exchange apparatus and process / M. D. Dunne, S.J. O'Niel, P.W. Fernell.; date of patent Sep. 28, 1999:

78. Pat. 6,113,874 USA Thermochemical regenerative heat recovery process / H. Kobayashi.; date of patent Sep. 5, 2000.

79. Peppley, B. Integrated fuel processors for fuel cell application: A review / B. Peppley, A. Qi, K. Karan // Fuel Processing Technology. 2007. - №88. -P.3-22.

80. Pinilla, J.L. Kinetic study of the thermal decomposition of methane using carbonaceous catalysts / J.L. Pinilla, I. Suelves, M.J. L'azaro, R. Moliner // Chemical Engineering Journal. 2008. - №138. - P.301-306.

81. Schadel, B.T. Steam reforming of methane, ethane, propane, butane, and natural gas over a rhodium-based catalyst / B.T. Schadel, M. Duisberg, O. Deutschmann // Catalysis Today. 2009. - №141. - P. 312-317.

82. Shchelokov, A.Ii Thermochemical* regeneration of waste heat / A.I. Shchelokov, D.I. Pashchenko // Information-material of Russian-Balkan Forum. Belgrade, Serbia. - 2010. - P. 87-89.

83. Tanaka, Y. Reforming of methane, ethylene, and desulfurized kerosene over Ni-8YSZ catalyst / Y. Tanaka, T. Kato // Applied Catalysis A: General. -2008. №348. -P.229-235.

84. Tsipouriari, V. A. Kinetic study of the catalytic reforming of methane to synthesis gas over Ni/La2C>3 catalyst / V. A. Tsipouriari, X. E. Verykios // Catalysis Today. 2001. - №64. - p.83-90.

85. World Energy Outlook 2008, International Energy Agency, Head of Communication and Information Office (2008).

86. Xu, J. Methane steam reforming for hydrogen production using low water-ratios without carbon formation over ceria coated Ni-catalysts // J. Xu, M.Y. Yeung, F. Meunier, N. Acerbi. Applied Catalysis A: General - 2008. -№345.-p. 119-127.

87. Yang, Y. Investigation of methane steam reforming in planar porous support of solid oxide fuel cell / Y. Yang, X. Du, L. Yang, Y. Huang, H. Xian // Applied Thermal Engineering. 2009. - № 29. - P.l 106-1113.

88. Yoshida, K. Oxidative steam reforming of methane over Ni/a-Al203 modified with trace noble metals / K. Yoshida, N. Begum, S. Ito, K. Tomishige // Applied Catalysis A: General. 2009. - № 358. -P.186-192.

89. ЮО.Прогнозная средневзвешенная цена электрической энергии на январь 2011. URL: http://www.samaraenergo.ru/news/612/

90. Характеристики катализатора ГИАП-3. URL:http://www.katalizator.dol.ru/product/giap-3-6h.htm

91. МИНОБРНАУКИ РОССИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

92. Самарский государственный технический университет»

93. Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус. Телефон: (846) 2784-311. Факс (846) 2784-400. E-mail: rectOr@saiTlRtU.ru1. QiOy 2011 г.№

94. Министерство образования и науки Российской Федерации1. На№от