ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
HYDROGEN ECONOMY
ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
HYDROGEN ECONOMY
Статья поступила в редакцию 07.07.15. Ред. рег. № 2285 УДК 621.1:662
The article has entered in publishing office 07.07.15. Ed. reg. No. 2285 doi: 10.15518/isjaee.2015.13-14.010
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ РЕАКТОРА С ЗАТОРМОЖЕННЫМ НАСАДКОЙ ЦИРКУЛЯЦИОННЫМ ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ ДЛЯ ПАРОВОЙ КОНВЕРСИИ МЕТАНА
А.М. Дубинин, С.Е. Щеклеин, В.Г. Тупоногов, М.И. Ершов, Ю.А. Каграманов
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б.Н. Ельцина 620002 Екатеринбург, ул. Софьи Ковалевской, д. 5 Тел./факс: (343) 375-97-37, e-mail: s.e.sheklein@urfu.ru
Заключение совета рецензентов: 10.07.15 Заключение совета экспертов: 13.07.15 Принято к публикации: 16.07.15
Описан двухкамерный реактор с заторможенным каталитической насадкой циркуляционным псевдоожиженным слоем, предназначенный для производства синтез-газа паровой конверсией метана. Результаты эксперимента удовлетворительно согласуются с моделированием процессов.
На основании системы уравнений теплового баланса двух камер и уравнений (в табличной форме) зависимости равновесных концентраций продуктов паровой конверсии метана от температуры при отношении CH4:H2O = 1:1 найдены оптимальные параметры исследуемого реактора.
Ключевые слова/ метан, водород, оксид углерода, псевдоожиженный слой, тепловой баланс.
FILLING IMPEDED CIRCULATING FLUIDIZED BED REACTOR FOR METHANE STEAM REFORMING OPTIMUM PARAMETERS
A.M. Dubinin, S.E. Shcheklein, V.G. Tuponogov, M.I. Ershov, Yu.A. Kagramanov
Ural Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin 5 Sofyi Kovalevskoy str., Yekaterinburg, 620002, Russia Tel./fax: (343) 375-97-37, e-mail: s.e.sheklein@ustu.ru
Referred: 10.07.15 Expertise: 13.07.15 Accepted: 16.07.15
The catalytic filling impeded two-chamber circulating fluidized bed reactor meant for methane steam reforming synthesis gas production was described. Experimental data conform satisfactorily to the process simulation.
Optimum parameters of the analyzed reactor were found on the basis of heat balance equation set for two chambers and tabled dependence between methane steam reforming products equilibrium concentrations and temperature with the ratio CH4:H2O = 1:1.
Keywords: methane, hydrogen, carbon monoxide, a fluidized bed, heat balance.
Алексей Михайлович Дубинин Alexey M. Dubinin
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры «Промышленная теплоэнергетика» УрФУ. Награжден медалью ордена «За заслуги перед Отечеством» второй степени.
Образование: Ивановский энергетический институт (1965).
Область научных интересов: аппараты для производства технологических атмосфер из природного газа и твердого топлива.
Публикации: 250.
Information about the author: Dr. Sci., professor of chair «Industrial power system» UrFU. He is awarded by an award medal «For merits before the Fatherland» the second degree.
Education: Ivanovo Power Institute (1965).
Research area: apparatuses for production of the technological atmospheres from natural gas and solid fuel.
Publications: 250.
Сергей Евгеньевич
Щеклеин Sergey E. Shcheklein
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Атомные станции и возобновляемые источники энергии» УрФУ.
Научный руководитель ряда реализованных инновационных проектов, в т. ч. «Энергоэффективный дом для села», «Системы солнечного энергоснабжения автономных потребителей специального назначения», «Солнечные системы охранной сигнализации» и др.
Член редколлегии журнала «Известия вузов. Ядерная энергетика», сборника трудов УГТУ-УПИ «Теплофизика ядерных энергетических установок», научно-технического журнала «Энергоэффективность и анализ». Заслуженный энергетик России, действительный член Международной энергетической академии.
Образование: Уральский политехнический институт (УГТУ-УПИ) (1972).
Область научных интересов: термодинамика ядерных энергетических установок, проблемы атомной энергетики и теплофизики двухфазных потоков, продление ресурса и повышение надежности оборудования АЭС, солнечная энергетика, ветровая энергетика, биоэнергетика, энергосбережение, энергоэффективность.
Публикации: более 450, в том числе 6 монографий и учебников, 28 изобретений.
Information about the author: doctor of technical science, professor, Urals State Technical University "Atomic Stations and Renewable Energy Sources" Department head.
A scientific director of several realized innovation projects, including "The energoefficient house for the village", "Special systems of individual consumer solar energy supply", "The solar systems for the guarding alarm" etc.
A member of the editorial board of "Institute of Higher Education News. Nuclear Power" magazine, "Nuclear power units heat engineering" USTU article collection, "Energoeffectiveness and analysis" scientific magazine. A Honoured power engineering specialist of Russian Federation, a member of International Energy Academy.
Education: Urals Polytechnic Institute (1972).
Research area: nuclear power units thermodynamics; questions of nuclear energy and thermophysics of the two-phase flows; NPP equipment lifetime enduring and reliability increasing; solar, wind and bioenergetics, energy conservation, energy efficiency.
Publications: more than 450 scientific works, including 6 monographs and textbooks, 28 inventions.
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор кафедры «Промышленная теплоэнергетика» УрФУ.
Образование: Уральский политехнический институт (1976).
Область научных интересов: гидродинамические процессы в аппаратах с дисперсными потоками.
Публикации: 80.
Владимир Геннадьевич Тупоногов Vladimir G. Tuponogov
Information about the author: Dr. Sci., professor of chair "Industrial power system" UrFU. Education: Ural Polytechnical Institute (1976).
Research area: hydrodynamic processes in apparatuses with disperse flows. Publications: 80.
Àh
Михаил Игоревич
Ершов Mikhail I. Ershov
Сведения об авторе: студент УрФУ. Образование: Уральский федеральный университет. Область научных интересов: теоретическая теплотехника. Публикации: 1.
Information about the author: undergraduate student UrFU. Education: Ural Federal University. Research area: theoretical heat engineering. Publications: 1.
Юрий Александрович Каграманов Yuri A. Kagramanov
Сведения об авторе: аспирант УрФУ. Образование: Уральский федеральный университет (2014). Область научных интересов: теоретическая теплотехника. Публикации: 5.
Information about the author: postgraduate student UrFU. Education: Ural Federal University (2014). Research area: theoretical heat engineering. Publications: 5.
Введение
Водород используется для производства аммиака, удобрений, топлива, используемого в двигателях внутреннего сгорания, восстановления урановой руды [1-3].
Чаще всего каталитическую конверсию метана водяным паром осуществляют в обогреваемой трубе [4]. В данной публикации для этого используется двухкамерный реактор с заторможенным каталитической насадкой циркуляционным псевдоожижен-ным слоем.
Получая необходимую теплоту сжиганием природного газа в одной камере и перенося ее промежуточным дисперсным теплоносителем в другую, предназначенную для конверсии водяным паром метана и подогрева продуктов реакции, можно получать синтетический газ (смесь водорода и оксида углерода).
Описание установки
Принципиальная схема реактора представлена на рис. 1. Обе камеры заполнены устойчивой к истиранию цилиндрической насадкой из катализатора КСН-2 с размером частиц 15x15 мм и дисперсным промежуточным теплоносителем - электрокорундом размером 500 мкм.
Благодаря разности гидравлических сопротивлений столба дисперсного материала, опускающегося по переточным трубам 13 и заторможенного насадкой циркуляционного псевдоожиженного слоя той же высоты, создается устойчивая направленная циркуляция частиц дисперсного теплоносителя между камерами.
Нагретый в камере сгорания дисперсный теплоноситель опускается по переточной трубе под камеру конверсии. Двигаясь в каталитической насадке по направлению движения паро-газовой смеси (т.е. вверх), частицы отдают теплоту на эндотермическую реакцию и подогрев продуктов конверсии. Далее охлажденные частицы по переточной трубе снова поступают под кольцевую камеру сгорания для последующего нагрева.
Расход дисперсного теплоносителя регулировался шиберами 8, а определялся как произведение скорости опускного движения щупа 2, площади переточной трубы 13 и насыпной плотности электрокорунда. Температуру по высоте камеры конверсии замеряли ХА-термопарой, перемещаемой в трубке 18, заваренной с нижнего торца и размещенной в слое катализатора. Состав продуктов паровой конверсии и полного сгорания на выходе определяли на хроматографе. Расходы воздуха и природного газа измеряли ротаметрами, а перегретого водяного пара - дроссельной шайбой. Диаметр камеры сгорания 16-180 мм, камеры конверсии 15-90 мм, переточных труб - 30 мм. Высота слоя катализатора - 0,8 м.
Относительный расход промежуточного теплоносителя (отношение расхода электрокорунда к расходу природного газа в обе камеры) ц устанавливали в одних опытах 60, в других 100. Уровень температуры в камере конверсии показан на рис. 2. Чем больше относительный расход промежуточного теплоносителя, тем выше температура продуктов конверсии на выходе из слоя катализатора и ниже в камере сгорания.
1000
f, °С
950
900
850
800
(i = 60 h
ц = 100 t
■ 'г
■ VL= 100
■■ > ц = 60
0,2
0,4
0,6
0,8
Рис. 1. Принципиальная схема реактора: 1 - патрубок для удаления продуктов полного сгорания; 2 - щуп для замера скорости опускного движения теплоносителя; 3, 4 - верхние решетки в камере конверсии и сгорания; 5 - тепловая изоляция; 6 - поддерживающая решетка
в камере конверсии; 7 - поддерживающая катализатор решетка в камере сгорания; 8 - шиберы; 9 - газовоздушная решетка; 10 - патрубок для подвода газовоздушной смеси на сгорание; 11 - парогазовая решетка; 12 - патрубок для подвода парогазовой смеси на конверсию; 13 - переточные трубы; 14 - к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.