Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ решений по повышению энергетической эффективности высокотемпературныхустановок 11
1.1. Энергосберегающие мероприятия в высокотемпературных установках 11
1.2. Обзор и анализ технических решений по термохимической рекуперации в ВТУ на основе конверсии природного газа 26
Выводы по главе 1 41
ГЛАВА 2. Исследование установок с термохимической рекуперацией на основе паровой конверсии природного газа 43
2.1. Объект исследования и его математическое моделирование 43
2.2. Анализ эффективности применения ТХР на базе паровой конверсии природного газа для стекловаренной и нагревательной установки 52
2.3. Величина и структура коэффициента комплексной рекуперации теплоты газовых отходов 60
2.4. Верификация математической модели 64
2.5. Изучение возможности получения избыточного синтез-газа в схеме с ТХР на основе паровой конверсии 64
Выводы по главе 2 67
ГЛАВА 3. Исследование установок с термохимической рекуперацией на основе конверсии природного газа рециркулирующими газовыми отходами 70
3.1. Объект исследования и его математическое моделирование 70
3.2. Анализ эффективности применения ТХР на основе конверсии природного газа рециркулирующими газовыми отходами 73
3.3. Коэффициент расхода окислителя на процесс конверсии 83
3.4. Верификация математической модели 90
3.5. Исследование сажеобразования при конверсии природного газа 92
3.6. Исследование кинетических характеристик процесса конверсии природного газа 94
Выводы по главе 3 99
ГЛАВА 4. Исследование установок с термохимической рекуперацией на основе конверсии природного газа паром и рециркулирующими газовыми отходами 101
4.1. Объект исследования и его математическое моделирование 101
4.2. Анализ эффективности применения ТХР на основе конверсии природного газа смесью пара и газовых отходов 104
Выводы по главе 4 109
Заключение 110
Список сокращений и условных обозначений 112
Список использованных источников 113
- Обзор и анализ технических решений по термохимической рекуперации в ВТУ на основе конверсии природного газа
- Величина и структура коэффициента комплексной рекуперации теплоты газовых отходов
- Коэффициент расхода окислителя на процесс конверсии
- Анализ эффективности применения ТХР на основе конверсии природного газа смесью пара и газовых отходов
Введение к работе
Актуальность работы. Плавильные и нагревательные
высокотемпературные теплотехнологические установки характеризуются значительной энергоемкостью и низким уровнем полезного использования потребляемых энергоресурсов. Актуальная задача снижения удельной энергоемкости промышленной продукции решается в различных направлениях, к числу которых относится создание энергосберегающих экологически совершенных теплотехнологических установок.
Основная доля тепловых отходов в высокотемпературных
теплотехнологических реакторах черной и цветной металлургии,
промышленности строительных материалов, в нефтяной, нефтехимической и газовой промышленности приходится на тепловой поток с отходящими дымовыми газами.
Известно несколько способов рекуперации (регенерации) теплоты дымовых газов: термическая и термохимическая. Первый способ достаточно изучен и широко применяется в промышленной теплоэнергетике. Второй способ менее изучен и освоен в промышленности, однако его использование может дать дополнительный энергосберегающий эффект.
Сущность термохимической рекуперации заключается в том, что тепловой отход, покидающий теплотехнологический реактор, используется для энергообеспечения эндотермического процесса конверсии первичного топлива – природного газа, в результате чего образуется новое топливо – синтезированный газ (синтез-газ), содержащий монооксид углерода и водород. Использование полученного топлива для отопления теплотехнологических установок позволяет получить существенную экономию исходного топлива – природного газа. При этом обеспечивается более высокая степень рекуперации теплового отхода (например, теплоты отходящих газов), так как он используется на повышение не только физической, но и химически связанной теплоты теплоносителей – конвертируемого природного газа и окислителя для процесса конверсии.
С ростом цен на природный газ варианты реализации термохимической
рекуперации становятся экономически более привлекательными и
конкурентоспособными по сравнению с другими способами энергосбережения. Однако на сегодняшний день многие проблемы применения на практике термохимической рекуперации не решены, находятся в стадии исследования и разработки.
Целью работы является повышение энергетической эффективности топливных плавильных и нагревательных установок на основе исследования их тепловых схем с термохимической рекуперацией тепловых отходов, базирующейся на конверсии первичного топлива – природного газа.
Достижение намеченной цели предусматривает решение ряда научных задач:
– анализ и систематизация работ в области термохимической
рекуперации (ТХР) тепловых отходов высокотемпературных установок;
формирование совокупности перспективных схем плавильных и
нагревательных установок с ТХР на основе конверсии природного газа различными окислителями;
– исследование влияния режимных параметров плавильных и нагревательных установок с ТХР на показатели энергоиспользования для выявления области их значений, обеспечивающей рост энергетической эффективности установок;
– изучение возможности и условий перехода в тепловых схемах
установок с ТХР от рекуперативного использования тепловых отходов к
комбинированному, включающему внешнее энергетическое или
технологическое использование продуктов конверсии;
– обобщение результатов исследований и разработка рекомендаций по энергетически эффективному применению термохимической рекуперации в высокотемпературных теплотехнологических установках.
Научная новизна
1. Для установок с ТХР на основе паровой конверсии природного газа
выявлено влияние температуры отходящих газов – максимальной температуры
газовых отходов – на характер зависимости удельных суммарных энергозатрат
от доли кислорода в окислителе. Установлено, что с уменьшением температуры
отходящих газов энергетическая целесообразность повышения доли кислорода
в окислителе в указанных установках падает. Подтверждена возможность
получения синтез-газа в количестве, превышающем его расход на отопление
установки.
2. Для установок с ТХР на основе конверсии газовыми отходами
впервые выявлен немонотонный характер зависимости удельных энергозатрат
от – объемной доли рециркулирующих газовых отходов, что открывает
возможности получения дополнительного энергосберегающего эффекта.
3. Анализ структуры коэффициента комплексной рекуперации теплоты
газовых отходов в установках с ТХР позволил впервые получить
количественную меру и подтвердить значимость вклада химических реакций
конверсии природного газа в повышение энергоэффективности исследованных
установок.
4. Впервые введено понятие коэффициента расхода окислителя на
процесс конверсии конв и разработан метод его расчета для всех рассмотренных в работе видов окислителей. В применении к установкам с ТХР на основе конверсии газовыми отходами использование введенного
коэффициента конв позволяет выявить причины и дать объяснение
немонотонного характера зависимости удельных энергозатрат от и конв.
5. Установлено, что в стекловаренных установках с ТХР на основе
конверсии смесью водяного пара и газовых отходов минимальный расход
топлива достигается при значении конв= 0,92, практически не зависящем от
удельного расхода пара на конверсию. Определена зависимость между
режимными параметрами, обеспечивающая заданное соотношение
компонентов в продуктах конверсии, необходимое для внешнего
технологического использования избыточного синтез-газа (в производстве метанола).
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
Комплекс разработанных математических моделей может быть использован в научно-исследовательских и проектно-конструкторских организациях, работающих в сфере энергосбережения и промышленной теплоэнергетики для повышения эффективности теплотехнологических установок.
-
Результаты исследований и рекомендации по энергетически эффективному применению термохимической рекуперации в высокотемпературных теплотехнологических установках могут быть применены в проектно-конструкторских организациях для создания новой энергосберегающей техники в стекловаренных производствах, металлургии, других отраслях промышленности.
-
Зависимость времени установления равновесного состава синтез-газа от режимных параметров процесса конверсии, а также от вида окислителя, используемого для конверсии природного газа, может быть использована при конструировании реакторов конверсии природного газа в установках с ТХР.
-
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе в Национальном исследовательском университете «МЭИ» при подготовке бакалавров по направлению «Теплоэнергетика и теплотехника», магистров по программам «Энергетика теплотехнологии», «Энергообеспечение предприятий. Высокотемпературные процессы и установки».
Положения, выносимые на защиту:
– результаты расчетного исследования влияния режимных параметров
плавильных и нагревательных установок с ТХР на их показатели
энергоиспользования: удельные видимые и суммарные энергозатраты
первичного топлива, коэффициент комплексной рекуперации теплоты газовых отходов, – для различных видов окислителей, используемых в процессе конверсии природного газа;
– коэффициент расхода окислителя на процесс конверсии, метод его расчета, применение данного коэффициента в процедуре поиска условий повышения энергетической эффективности установок;
– результаты исследования времени установления равновесного состава синтез-газа от температурных и режимных параметров процесса конверсии, а также от вида окислителя, используемого для конверсии природного газа в установках с ТХР;
– результаты сопоставительного анализа возможности сажеобразования при конверсии природного газа различными окислителями в условиях ТХР;
– условия реализации в тепловых схемах установок с ТХР внешнего дополнительного энергетического и технологического использования тепловых отходов посредством выработки избыточного синтез-газа.
Достоверность результатов проведенных исследований обеспечиваются корректным использованием теории переноса теплоты и массы, применением
современных вычислительных комплексов, а также удовлетворительными результатами сопоставления полученных в работе данных с результатами исследований других авторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы
доложены на 19, 20, 21, 22 Международных научно-технических конференциях
студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»,
Москва, 2013–2016 г.г.; на XII Всероссийской научно-технической
конференции «Естественные и инженерные науки – развитию регионов
Сибири», Братск, 2013 г.; на Международной научно-технической конференции
«Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии» (XVIII
Бенардосовские чтения), Иваново, 2015 г.; на Российской международной
научной школе-конференции «Энергетика, электромеханика и
энергоэффективные технологии глазами молодежи», Томск, 2016 г.; на Седьмой и Восьмой Международных школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Энергосбережение – теория и практика», Москва, 2014, 2016 г.г.; на Международной научно-практической конференции «Информатизация инженерного образования» – ИНФОРИНО-2016, Москва, 2016 г.; на Международной научно-технической конференции, посвящённой 105-летию со дня рождения А.Н. Плановского, Москва, 2016 г.
Публикации. Основные научные положения и выводы диссертационной работы изложены в 22 опубликованных работах, в том числе в 5 публикациях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список используемых источников. Общий объем составляет 127 страниц, включая 59 рисунков, 11 таблиц и список литературы из 127 наименований.
Обзор и анализ технических решений по термохимической рекуперации в ВТУ на основе конверсии природного газа
Работа регенеративного реактора конверсии организована циклически: в первую половину цикла в него направляется высокотемпературный нагревающий газ, во вторую половину цикла в насадку подается смесь метана и водяного пара (парогазовая смесь). Движение газов осуществляется по противоточной схеме. В работе проведены исследования паровой некаталитической конверсии метана, математическое моделирование и экспериментальное исследование на лабораторном стенде при температуре насадки регенератора до 1830 К и удельном расходе пара от 0,8 до 3,0 м3/(м3 метана). Установлено, что паровая некаталитическая конверсия эффективна при исследованных высоких температурах, а образующийся в ходе реакций углерод не оказывает негативного воздействия на протекание процесса конверсии. В настоящее время работы по направлению использования в качестве реактора конверсии теплообменника регенеративного типа ведутся весьма активно. Так, в работе [96] предложен вариант установки с ТХР на основе паровой конверсии и конверсии на отходящих газах в регенеративных теплообменниках с теплоаккумулирующей насадкой (рисунок 1.18).
В данной установке используются четыре регенеративных теплообменника для осуществления ТХР. Доля рециркулирующих уходящих газов, направляемых на процесс конверсии, составляет около 30 %. Предложенное в работе [96] техническое решение по некаталитической конверсии в реакторе-регенераторе реализовано в Мексике в топливно-кислородной стекловаренной установке с подковообразным движением газов производительностью 50 т/сутки [86, 87, 95]. Схема действующей установки представлена на рисунке 1.19, фото – на рисунке 1.20. Рисунок 1.19 – Схема установки с ТХР [86, 87, 95]
В данной установке в качестве окислителя для процесса конверсии используют рециркулирующие уходящие газы (объемная доля – 20%).
3D-модель и фото стекловаренной печи с ТХР [86, 87, 95] По оценке авторов проекта использование ТХР позволит добиться снижения расхода топлива около 30% по сравнению с использованием только термической рекуперации (подогрева окислителя) [87].
Конверсия природного газа широко используется для получения водорода [102]. В рамках данной работы представляют интерес модульные блоки для производства водорода производительностью от 5 до 250 м3/ч на основе паровой конверсии природного газа, предлагаемые голландской фирмой HyGear B.V [97]. Получаемый в них водород может быть использован для собственных нужд предприятия или же направлен стороннему потребителю. Эти блоки могут быть использованы для утилизации теплоты отходящих газов высокотемпературных установок, в том числе и стекловаренных печей [115].
Анализ совокупности работ, непосредственно или косвенно относящихся к исследованию термохимической рекуперации тепловых потоков на основе конверсии природного газа, позволил впервые выполнить их многомерную классификацию, представленную на рисунке 1.21. Для этого использованы семь классификационных параметров, каждый из которых может принимать несколько дискретных значений.
В качестве основного классификационного параметра А выбран вид окислителя для процесса конверсии природного газа. Массив значений параметра А включает в себя пять элементов: водяной пар (А1), газовые отходы топливной теплотехнологической установки (А2), смесь водяного пара и газовых отходов (А3), диоксид углерода (А4), кислород (А5).
Дополнительными классификационными параметрами являются: назначение синтез-газа (параметр В): использование как источника энергии (В1) либо одновременно в качестве источника энергии и технологического сырья (В2); назначение дополнительных (наряду с элементами ТХР) тепломассобменников в схеме установки (параметр С): реализация термической рекуперации (С1), либо внешнего дополнительного использования тепловых отходов (С2), либо их сочетания (С3), либо отсутствие дополнительных элементов (С4); применение катализатора в процессе конверсии природного газа (параметр D): каталитическая конверсия (D1) либо некаталитическая (D2); виды тепловых отходов, используемых для ТХР (параметр Е): теплота газовых отходов (Е1); теплота пара из системы испарительного охлаждения ТТР (Е2); прочие тепловые отходы, в том числе теплота шлаковых отходов, тепловой поток, отводимый из рабочего пространства через ограждение ТТР, и другие (ЕЗ); варианты использования синтез-газа как технологического сырья (F): для производства водорода (F1), метанола (F2) или других продуктов (F3), либо синтез-газ не используется как технологическое сырье (F4); конструктивный тип реактора конверсии (параметр G): реактор-рекуператор (G1) или реактор-регенератор (G2).
Совокупность ранее упомянутых работ, выполненных научной группой доцента И.И. Перелетова по паровой каталитической конверсии, позиционируется координатами (A1, B1, C1, D1, E1, F4, G1).
Как было отмечено выше, разработка технических решений по ТХР на основе некаталитической конверсии рециркулирующими газовыми отходами в последнее время продвинулась до уровня промышленных экспериментов на регенеративной стекловаренной печи [86, 87, 95, 96]. Данным работам соответствует «точка» в классификационном пространстве с координатами (A2, B1, C4, D2, E1, F4, G2).
Предложенная классификационная «система координат» позволила охватить и упорядочить значительный массив информации. Она может быть расширена как включением дополнительных уровней использованных параметров, так и добавлением новых параметров.
Величина и структура коэффициента комплексной рекуперации теплоты газовых отходов
Как отмечено выше, программная реализация математического описания выполнена в среде Mathcad [4-6, 12, 31, 32, 46, 48-51, 55, 101] и среде визуального программирования Aspen Plus.
Особенность разработки математических моделей тепловых схем ВТУ с паровой конверсией в среде Mathcad состоит в том, что состав окислителя для процесса конверсии не связан с составом газовых отходов ТТР. Поэтому можно первоначально выполнить расчет равновесного состава и удельного выхода синтез-газа при заданных tсг и Vпар , а затем последовательно выполнить расчеты тепловых балансов ТТР и других элементов тепловой схемы, задавшись температурой парогазовой смеси на входе в реактор конверсии. Одним из перспективных инструментов для численного моделирования высокотемпературных процессов, установок и систем промышленной теплоэнергетики является программная среда Aspen Plus. Данная среда обеспечивает возможность моделирования процессов, основанных на химических и фазовых превращениях, позволяет проводить конструктивный расчет и оценку стоимости оборудования [71-73, 75, 90]. Посредством Aspen Plus выполнен ряд научно-исследовательских разработок энергосберегающих объектов промышленной теплоэнергетики, в которых реализованы процессы пиролиза, газификации, конверсии и ректификации [40, 53, 60, 65, 72-75, 80, 108]. Созданная автором Aspen-модель стекловаренной установки с ТХР на основе паровой конверсии представлена на рисунке 2.2. Между элементами тепловой схемы ВТУ (рис. 2.1) и блоками Aspen-модели имеют место следующие связи: теплотехнологический реактор моделируется блоком FURNACE (стехиометрический реактор), реактор конверсии – блоками HEATER и R-SG, подогреватель окислителя – блоками HEATER-2 и AIR-HEAT, подогреватель парогазовой смеси – блоками H-PPGS-1 и H-PPGS, испаритель – блоками HEATER-4 и STEAMER.
В процессе моделирования установки в среде Aspen Plus отработана технология моделирования теплообменников для случая, когда один из потоков, участвующих в теплообмене, подвергается химическим или фазовым превращениям. Поясним ее на примере реактора паровой конверсии.
В реактор конверсии (см. рисунок 2.1) входят предварительно подогретая парогазовая смесь (смесь природного газа и водяного пара), а также отходящие газы, покидающие ТТР. Исходящие из реактора конверсии материальные потоки – это охлажденные газовые отходы и синтез-газ, полученный в результате конверсии и направляемый на отопление теплотехнологического реактора.
При моделировании установки в среде Aspen Plus (см. рисунок 2.2) реактор конверсии представлен двумя компонентами: реактором R-SG и теплообменником HEATER, установленным на отходящих газах за теплотехнологическим реактором FURNACE. Тепловой поток Q = 1068368 кал/с передается без потерь из теплообменника HEATER в реактор R-SG. На основе допущения, что состав синтез-газа отвечает условиям термодинамического равновесия, из ряда реакторов, предоставляемых для компоновки схемы средой Aspen Plus, выбран реактор Гиббса. Описанная технология применена для моделирования в Aspen Plus прочих теплообменников, составляющих тепловую схему, – подогревателя окислителя, подогревателя парогазовой смеси и испарителя.
Выполнено сопоставительное исследование моделей стекловаренной ВТУ, реализованных в средах Mathcad и Aspen Plus. Анализ его результатов приводит к следующим выводам: при практическом совпадении расходных характеристик наблюдается незначительное различие в температурных характеристиках элементов тепловой схемы (на уровне не более 0,7%). Это можно объяснить различием источников по теплофизическим свойствам веществ, встроенных в среду Aspen Plus и использованных автором в Mathcad-модели. Следовательно, моделирование ВТУ в обеих средах дает близкие результаты; составы синтез-газа, полученные посредством двух моделей, практически идентичны. Следует иметь в виду, что принятое в концептуальной модели допущение о том, что равновесный состав синтез-газа определяется равновесием двух реакций: паровой конверсии метана и реакции водяного газа, – явно используется только в Mathcad-модели. При разработке Aspen-модели допущение о равновесности состава синтез-газа вводится в модель посредством выбора реактора Гиббса для моделирования реактора конверсии. Перечень же равновесных реакций при создании Aspen-модели не задается, так как в Aspen Plus используется иной метод решения задачи. Установленный факт идентичности составов синтез-газа, полученных в Mathcad-модели и в Aspen-модели, позволяет сделать вывод о приемлемости допущения, использованного в концептуальной модели ВТУ: равновесный состав синтез-газа определяется равновесием двух реакций – паровой конверсии метана и реакции водяного газа.
Коэффициент расхода окислителя на процесс конверсии
Из представленных данных следует: 1) оба варианта термохимической рекуперации практически равнозначны между собой по ожидаемому энергосберегающему эффекту в рассмотренных теплотехнологических установках. Этот важный результат указывает на перспективность разработок установок с ТХР не только на основе паровой конверсии природного газа, но и на основе конверсии газовыми отходами. При этом следует иметь в виду положительные аспекты организации ТХР на основе конверсии газовыми отходами (по сравнению с ТХР на основе паровой конверсии): - одновременно используются и тепловой поток, и массовый расход газовых отходов; - не требуется дополнительный расход питательной воды; 2) вывод о том, что термохимическая рекуперация эффективнее в ВТУ с более высоким уровнем температуры, справедлив и для случая ТХР на основе конверсии природного газа газовыми отходами; 3) для нагревательной установки с температурой отходящих газов 900 оС переход от термической рекуперации к термохимической дает сравнительно небольшой энергосберегающий эффект: около 11%. Вместе с тем коэффициент комплексной рекуперации теплоты газовых отходов возрастает существенно: от 0,27 до 0,89 (паровая конверсия) либо до 0,64 (конверсия на газовых отходах). Этот аспект следует принимать во внимание при анализе экологических характеристик ВТУ с ТХР.
Отметим, что показанная на рисунке 3.1 тепловая схема ВТУ - не единственный вариант схемы с ТХР на основе конверсии газовыми отходами. Другие возможные варианты представлены на рисунке 3.5. ГОк
Схема А идентична схеме на рисунке 3.1. В схеме В по сравнению со схемой А предусмотрено высокотемпературное включение реактора конверсии, при этом окислитель для конверсии – уходящие газы. В схеме С по сравнению со схемой В окислитель для конверсии – отходящие газы.
Анализ результатов исследования тепловых схем А, В, С стекловаренной установки приводит к следующим выводам. 1. Все три схемы на рисунке 3.5 характеризуются одинаковыми величинами удельного видимого расхода первичного топлива bвид = 160 кг/т и температуры уходящих газов t у.г = 426 оС. Следовательно, все три схемы обеспечивают одинаковый энергосберегающий эффект по сравнению с базовым вариантом, где bвид = 236 кг/т. 2. В схемах В и С предусмотрено высокотемпературное включение РК: температура греющих газов на входе в РК максимальна и равна tо.г = 1500 оС. Вместе с тем схема С существенно отличается от схемы В высокой температурой смеси топлива и окислителя для конверсии на входе в РК: в схеме С – 1016 оС, в схеме В – 338 оС. Это делает проблематичным создание работоспособной конструкции реактора конверсии для схемы С. Для рассматриваемого уровня tо.г схема В предпочтительнее схемы С. 3. Схемы А и В, идентичные по уровню bвид , различаются способом включения РК в состав схемы: если в схеме В – высокотемпературное включение, то в схеме С – низкотемпературное включение РК. Это обстоятельство следует учитывать при выборе конструктивной схемы реактора конверсии и при более углубленном сопоставительном анализе схем А и В.
Исследование тепловых схем А, В, С нагревательной установки приводит к выводу, что все три схемы практически идентичны по уровню расхода топлива: в схемах А и В bвид = 45,4 кг/т, в схеме III bвид = 46,0 кг/т. Следовательно, окончательный выбор тепловой схемы для данной теплотехнологии следует производить с использованием иных показателей. В дальнейших исследованиях объектом рассмотрения принимается схема А. Ввиду того, что из двух рассмотренных ВТУ энергосберегающий эффект для стекловаренной установки с ТХР более значительный, дальнейшие исследования проводятся именно для стекловаренной установки.
В базовом варианте объемная доля рециркулирующих газовых отходов = 0,21, объемная доля кислорода в окислителе для процесса горения KO2 = 0,21. Представляет интерес изучение влияния величин ф и Кп на теплотехнические показатели ВТУ. Результаты исследования представлены на рисунках 3.6 и 3.7. Анализ полученных данных приводит к следующим выводам: а) функции Е( р) и Есу(Ф) при фиксированном Кп немонотонны, причем минимум обеих функций наблюдается в диапазоне оптимальных значений фопт = 0,21-0,25 в зависимости от К0 ; б) функции E(KОJи сум( О2)при любом значении ср из исследованного диапазона являются монотонно убывающими, то есть рост Кп ведет к снижению как Е , так и Есум.
В работах других авторов величины составляют 0,20 [91], 0,25 [117], 0,33 [125]. Полученный диапазон опт близок к указанным значениям. Представленный в данной работе метод определения оптимальной величины имеет ясное физическое обоснование: при опт обеспечивается минимум энергозатрат.
С целью выявления влияния учета газовых отходов технологического процесса на результаты расчета энергопотребления ВТУ проведено специальное исследование [59]. Его результаты представлены на рисунке 3.8. Сплошной линией показаны данные, полученные с учетом наличия шихтовых газов, штриховой линией – без учета шихтовых газов. Анализ представленных данных приводит к выводу, что отказ от учета шихтовых газов вносит заметную погрешность в получаемые результаты. Немонотонная графическая зависимость E от (см. рисунок 3.7) аналогична известной зависимости удельного видимого расхода топлива bвид от гор – коэффициента расхода окислителя (воздуха) на процесс горения топлива. Данная зависимость, рассчитанная для базового варианта нагревательной установки (при неизменной температуре отходящих газов), проиллюстрирована рисунком 3.9.
Анализ эффективности применения ТХР на основе конверсии природного газа смесью пара и газовых отходов
Третья тепловая схема ВТУ из выделенных в главе 1 для детального изучения представлена на рисунке 4.1. В данной работе схема рассматривается только для условий стекловаренной установки.
В исследуемой схеме высокотемпературные отходящие газы, покидающие теплотехнологический реактор ТТР, последовательно проходят подогреватель окислителя ПОк для сжигания топлива, реактор конверсии РК и испаритель И. Часть уходящих газов, характеризуемая объемной долей , направляется совместно с потоком водяного пара (удельный расход – Vпар , м3/(м3природного газа)) на смешение с природным газом, после чего вся смесь поступает в реактор конверсии.
В схеме III обеспечивается возможность регулирования соотношения СО/Н2 в составе синтез-газа и выработка синтез-газа в количестве, превышающем потребности отопления печи. В зависимости от типа замещаемой установки может требоваться различное соотношение СО и Н2 в составе синтез-газа.
Например, для установки производства метанола требуется СО/Н2 = 1:2 [24], для установки производства диметилового эфира необходимо поддерживать СО/Н2 = 1:1, тогда как синтез-газ в результате паровой конверсии характеризуется отношением СО/Н2 = 1:3. Получив синтез-газ необходимого состава, его избыток можно направить за пределы стекловаренной установки для использования в смежных технологиях как энергоносителя либо технологического сырья.
Концептуальная модель ВТУ идентична изложенной в главах 2 и 3. Математическая формулировка задачи по сравнению с изложенной в главе 3 имеет одну существенную отличительную особенность: для расчета Vjок.конв– удельных объемов j-го химического элемента в окислителе для процесса конверсии – используются уравнения (4.1). В уравнениях учтено, что окислителем для процесса конверсии является смесь водяного пара и газовых отходов.
Дополнительные параметры, замыкающие систему уравнений для рассматриваемых в данной главе высокотемпературных установок с конверсией природного газа смесью водяного пара и газовых отходов: давление синтез-газа рсг = 9,81104 Па; окислитель для процесса горения в ТТР - воздух (Кп = 0,21); температура синтез-газа tсг для стекловаренной ВТУ - 900 оС; объемная доля рециркулирующих газовых отходов ф = 0,21; удельный расход пара Кпар = 0,11 м3/(м3 природного газа). Программная реализация Программная реализация математического описания выполнена в среде Mathcad и среде визуального программирования Aspen Plus.
Созданная автором Aspen-модель стекловаренной установки с ТХР для случая отсутствия избыточного синтез-газа представлена на рисунке 4.2.
ASPEN-модель установки с термохимической рекуперацией на основе конверсии природного газа смесью водяного пара и газовых отходов Поток OG1 – часть потока уходящих газов – направляется в MIXER для смешения с природным газом (поток FUEL-2) и водяным паром (поток STEAM), после чего смесь подвергается конверсии в реакторе R-SG с получением синтез газа.
Из данных на рисунках 4.4 и 4.5 следует, что ограничение CO/H2 = 0,5, заимствованное из технологии производства метанола, в рассматриваемой тепловой схеме реализовать возможно, при этом для достижения энергосберегающего эффекта следует стремиться к возможно меньшим значениям Vпар и . Представляет интерес исследование возможностей энергосбережения в рассматриваемой тепловой схеме при снятии «технологического» ограничения CO/H2 = 0,5.
Анализ полученной зависимости приводит к выводу, что в рассмотренном диапазоне у минимум расхода топлива и функции E(aконв) наблюдается при оптимальном значении аконв= 0,92, несущественно зависящем от [/ . Приняв аокпотнв = 0,92 для исследуемой установки, можно вычислить соответствующее значение фопт, учитывая при этом состав топлива, продуктов его горения и состав шихтовых газов (газовых отходов технологического процесса).
1. Наряду с использованием ТХР на основе конверсии природного газа перспективным направлением является разработка схем с возможностью получения синтез-газа заданного состава. Исследования показали возможность получения синтез-газа с контролируемым соотношением CO/H2 = 0,5, необходимым для производства метанола, но при условии использования возможно меньших значений удельного расхода пара и доли рециркулирующих газовых отходов для достижения энергосберегающего эффекта.
2. Снимая «технологическое» ограничение на соотношение CO/H2 в составе синтез-газа, в результате моделирования тепловой схемы печи с использованием вычислительного комплекса Aspen Plus установлено влияние режимных параметров на состав синтез-газа и расход первичного топлива -природного газа. Впервые определено, что минимум расхода топлива наблюдается в диапазоне оптимальных значений Фопт = 0,19-0,22 в зависимости от удельного расхода пара на процесс конверсии. Также установлено, что минимальный расход топлива достигается при оптимальном значении аокпотнв = 0,92, и зависимость данного параметра от удельного расхода пара несущественна.