ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА
rJ
HYDROGEN ECONOMY
МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА
SYNTHESIS-GAS PRODUCTION METHODS
Статья поступила в редакцию 04.01.10. Ред. рег. № 668 The article has entered in publishing office 04.01.10. Ed. reg. No. 668
УДК 620.97
ПРОИЗВОДСТВО И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИНТЕЗ-ГАЗА В СИСТЕМАХ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕГЕНЕРАЦИИ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
Д.И. Пащенко, А.И. Щелоков
Самарский государственный технический университет 443100, Самара, ул. Молодогвардейская, д. 244 Тел./факс: (846) 332-42-26; e-mail: pt@samgtu.ru; paschenkodmitry@mail.ru
Заключение совета рецензентов: 10.01.10 Заключение совета экспертов: 15.01.10 Принято к публикации: 18.01.10
В работе показана возможность производства и использования синтез-газа в системах термохимической регенерации теплоты высокотемпературных дымовых газов на базе паровой и углекислотной конверсии природного газа. Рассмотрена принципиальная технологическая схема реализации данного способа термохимическим реактором. Определена максимальная степень конверсии метана на основании уравнений материального баланса и закона действующих масс. Представлена зависимость максимальной степени конверсии метана от температуры при различном давлении. Ключевые слова: конверсия природного газа, максимальная степень конверсии, синтез-газ, термохимическая регенерация.
SYNTHETIC GAS PRODUCTION AND USAGE IN SYSTEMS OF FLUE GASES HEAT THERMOCHEMICAL REGENERATION
D.I. Pashchenko, A.I. Shchelokov
Samara State Technical University 244 Molodogvardeiskaya str., Samara, 443100, Russia Tel./fax: +7-(846) 332-42-26; e-mail: pt@samgtu.ru; paschenkodmitry@mail.ru
Referred: 10.01.10 Expertise: 15.01.10 Accepted: 18.01.10
Synthetic gas production and usage ability in systems of high-temperature flue gases' heat thermochemical regeneration based on natural gas steam and dry conversion is shown. The technology of this process realization with thermochemical reactor is considered. Based on equations of material balance and mass action law maximum methane (basic component of natural gas) conversion rate is determined. Effect of temperature on maximum conversion rate at the different pressure is discussed.
Анатолий Иванович Щелоков
Сведения об авторе: профессор, д-р техн. наук, засл. работник Минтопэнерго РФ, член Международной энергетической академии, Почетный энергетик России, зав. кафедрой Промышленной теплоэнергетики СамГТУ. За комплекс работ по созданию самарской отопительной техники группа ученых кафедры (научный руководитель проф. Щелоков А.И., ведущий исполнитель доц. Шульц Л.Г., ведущий специалист инженер Богомолов В.А.) удостоена в 1998 г. премии Губернатора Самарской области. В 2001 г. входил в состав международной группы по подготовке Международного конгресса по химической кинетике в горении (г. Эдинбург, Шотландия).
Основной круг научных интересов: развитие физико-химических основ прикладных задач горения и тепломассопе-реноса для научного прогнозирования тепловой работы агрегатов различного назначения с целью повышения их энергетической эффективности и надежности; развитие научных основ использования газового топлива для обеспечения снижения уровня теплового и химического загрязнения окружающей среды.
Дмитрий Иванович Пащенко
Сведения об авторе: инженер и ассистент кафедры Промышленной теплоэнергетики СамГТУ.
Образование: окончил с отличием Саратовский государственный технический университет (2008 г.). В 2008 г. поступил в аспирантуру СамГТУ по специальности «Промышленная теплоэнергетика». В 2007 г. на Всероссийской олимпиаде по промышленной теплоэнергетике занял первое место, по энергетике тепловых технологий - второе место.
Основной круг научных интересов: разработка и внедрение систем утилизации теплоты на базе термохимической регенерации, пути снижения выбросов парниковых газов и энергосбережение при производстве водорода на базе паровой конверсии природного газа при комбинировании с теплотехнологическими системами промышленных предприятий.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 12 (80) 2009
© Scientific Technical Centre «TATA», 2009
Введение
Из всех известных способов получения технологических газов, в частности синтез-газа (смеси водорода и угарного газа различного количественного состава), наиболее экономически целесообразными являются различные способы окислительной конверсии природного газа (метана). В качестве окислителей углеводородов чаще всего применяется пар, углекислый газ, кислород и различные смеси вышеперечисленных компонентов.
Физико-химические основы конверсии углеводородов заключаются в их окислении кислородом, водяным паром и углекислым газом:
СН4 + 0,502 о СО + Н2 + 35,6 кДж/моль ; (1) СН4 + Н20 о СО + 3Н2 - 206,1 кДж/моль; (2) СН4 + С02 о 2С0 + 2Н2 - 248,3 кДж/моль . (3)
Реакции (1)-(3) сопровождаются реакцией водяного газа (4):
СО + Н20 о С02 + Н2 + 41,2 кДж/моль . (4)
Выбор типа окислителя и его количественный состав определяется целевым назначением процесса и технико-экономическим обоснованием.
Технологическая схема
Нетрудно заметить, что реакции (2) и (3) протекают с поглощением теплоты, поэтому для осуществления конверсии метана необходим подвод теплоты извне. Температура, при которой реакции (2) и (3) протекают с достаточно большой степенью превращения исходного метана (~0,7-0,9), должна превышать 800° С. Для получения такой температуры необходимо либо сжигать дополнительно топливо, что неизбежно приведет к дополнительным энергозатратам, либо использовать теплоту отходящих от технологической установки дымовых газов.
Если рассмотреть продукты полного сгорания метана при а = 1,0 - основного компонента природного газа, к примеру, в рабочей камере кузнечной печи, можно заметить, что они содержат в качестве основных компонентов водяной пар (Н2О), углекислый газ (СО2) и азот (М2) в соотношении СО2:Н2О:М2 ~ 1:2:7,52, при этом их температура превышает 1000° С. Таким образом, при подводе в реакционное пространство метана имеется все необходимое для осуществления реакций (2)-(3).
Так как реакции (2) и (3) сильно эндотермические, продукты этих реакций (СО, Н2) имеют более высокую теплоту сгорания, нежели теплота сгорания исходного метана, за счет трансформации физической теплоты в химическую энергию продуктов реакции. Это явление нашло применение в системах термохимической регенерации теплоты. Сущность
термохимическои регенерации тепла отходящих дымовых газов, как показал Н.А. Семененко [1], заключается в использовании их физического тепла для предварительной эндотермической переработки исходного топлива, которое при этом получает больший запас химически связанного тепла. Это дополнительное химически связанное тепло, а также физическое тепло дутьевого воздуха реализуется в рабочей камере теплотехнологической установки, что обеспечивает соответствующее снижение удельного расхода топлива.
Тепловая схема установки по осуществлению конверсии природного газа продуктами его полного сгорания показана на рис. 1. После теплотехно логической установки 2 дымовые газы а разделяются на два потока, первый поток b подается в термохимический реактор 3, активированный никельсодержащим катализатором, в который также подается природный газ d, где в результате протекания реакций (2)-(4) образуется конвертированный газ e с общим газовым составом СО, Н2, СО2, Н2О, СН4. Второй поток дымовых газов e направляется на поверхностный обогрев реактора. Остаточная теплота второго потока дымовых газов утилизируется в рекуперативном воздухоподогревателе 1, в котором происходит нагрев холодного дутьевого воздуха i до температуры горячего воздуха h, в результате чего дымовые газы охлаждаются до температуры потока g.
Рис. 1. Принципиальная схема установки с термохимической регенерацией теплоты Fig. 1. The schematic diagram of a plant with themochemical recuperation of heat
Полученный по этой схеме в термохимическом реакторе синтез-газ используется как топливо для теплотехнологической установки. В статье [2] рассмотрено технологическое решение, показывающее, что замена термохимического реактора на интегрированный мембранный реактор позволит в качестве целевого продукта получать чистый водород, а побочные горючие компоненты использовать в качестве топлива.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 12 (80) 2009 © Научно-технический центр «TATA», 2009
Механизм химической реакции пароуглекислот-ной конверсии основного компонента природного газа - метана - включает в себя ряд реакций, протекающих с поглощением и выделением теплоты. Как показали исследования кинетики, основными реакциями являются химические уравнения (2)-(4). Таким образом, общее уравнение процесса, протекающего в термохимическом реакторе при конверсии метана стехиомет-рическим количеством продуктов его полного сгорания при а = 1,0, можно записать в виде:
СН4 + к (С02 + 2Н20 + 7,52М2) = = аС0 + РН2 + + еСН4 - (1 - е)220,3 кДж/моль. (5)
При условии полного окисления метана коэффициенты перед соответствующими компонентами реакции будут равны:
k = 1/3; а = 4/3; ß = 8/3; у = 2,51; е = 0. Результаты и их обсуждение
(6)
полагая, что при достаточно высоких температурах, поддерживаемых в ходе реформинга метана, реагенты проявляют свойства идеальных газов (в том смысле, что химические потенциалы компонентов определяются их парциальными давлениями), указанное условие записываем через константу равновесия реакции (2) и (3):
Кр(2) -
Кр(3) =
(-^Н2,2) РСО,2 РСН4,2 РН2О,2
( РН2,2)2( РсО,2)2
РСН4,2 РСО2,2
(7)
(8)
Состав конвертированного газа, получаемого на выходе из реактора, зависит от технологических параметров, таких как температура, давление и состав мета-но-дымовой смеси. Используя интегральные уравнения материального баланса и законы действующих масс для реакций (2)-(4), возможно определение для каждого технологического случая состава конвертированного газа. Равновесный состав продуктов, получающихся в процессе термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов, по данным Теснера [3], определяется реакцией водяного газа (4).
Для определения энер
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.