Одна из главных проблем Российской экономики — неэффективное использование энергетических ресурсов. Реализация энергосберегающих мероприятий требует в 3-4 раза меньше инвестиций чем затраты на увеличение производства соответствующей энергии.
Наиболее энергоемкие процессы в теплоэнергетике приходятся на долю высокотемпературных теплотехнологических установок (ВТУ), являющиеся одними из основных потребителей топлива в стране. В большинстве случаев ВТУ работают с весьма низким КПД (20-30%) [1], в основном это обусловлено очень большими потерями тепла с отходящими дымовыми газами, достигающими иногда 70-80% от количества энергии, подведенной в установку топливом.
Таблица 1.
Тепловые характеристики высокотемпературных теплотехнологических установок [5]
| Тип печи | Температура в рабочем пространстве, ℃ | Температура дымовых газов, ℃ | Потери тепла с дымовыми газами, % |
| Сталеплавильные печи | 1650-1750 | 1550-1600 | 65-75 |
| Нагревательные колодцы | 1350-1450 | 1250-1350 | 55-60 |
| Кузнечные камерные печи | 1300-1400 | 1100-1200 | 55-65 |
| Методические нагревательные печи | 1300-1400 | 900-1100 | 30-45 |
| Стекловаренные печи | 1600-1700 | 1000-1100 | 50-60 |
Следовательно возникает необходимость утилизация теплоты отходящих дымовых газов. В настоящее время для этой цели используют специальные теплообменные устройства: рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы. Целесообразно осуществлять утилизацию тепла таким образом, что бы часть тепла дымовых газов могла быть возвращена обратно в рабочее пространство ВТУ, т. е. чем выше степень регенерации, тем большая экономия может быть достигнута.
Наиболее частым применяемым в промышленности способом регенерации теплоты отходящих газов является термическая регенерация — подогрев воздуха идущего на горение, в результате чего увеличивается КПД установки. Часть тепла отработавших газов возвращается в рабочее пространство печи путем передачи его воздуху и/или топливу подаваемых в печь для горения. Подобным образом, с передачей тепла воздуху или газообразному топливу, работают теплообменники рекуперативного и регенеративного типа. Однако основным недостатком данного способа является невозможность глубокой регенерации выбрасываемой теплоты. Это связанно с тем, что нагрев воздуха выше оптимальной температуры хотя и дает положительный экономический эффект, но снижает экономическую выгоду от данного мероприятия [4].
Одним из решений проблемы достижения высокой степени регенерации выбрасываемой теплоты после ВТУ является использование термохимической регенерации теплоты отходящих дымовых газов. Эта идея появилась еще 70-е годы, предлагалось использовать термохимическую регенерацию для повышения энергоэффективности газотурбинных установок [6]. В последние годы был опубликован целый ряд работ по термохимической регенерации, выдано несколько патентов на изобретения, а также были защищены несколько кандидатских диссертаций.
Сущность термохимической регенерации (ТХР) тепла отходящих дымовых газов, как показал Н. А. Семененко [3], заключается в использовании их физической теплоты для предварительной эндотермической переработки исходного топлива, которое при этом получает больший запас химически связанного вещества и нагревается до высокой температуры. Это дополнительное химически связанное и физическое тепло топлива, а также тепло нагретого дутьевого воздуха реализуется в рабочей камере печи, что обеспечивает соответствующее повышение ее температурного уровня и снижение удельного расхода топлива.
Одним из способов термохимической регенерации является применение паровой конверсии природного газа. Механизм паровой конверсии включает в себя целый ряд реакций, протекающих с поглощением и выделением теплоты.
СН4 + Н2О ↔ СО+ 3Н2 — 206,1 ,
СН4 + 2Н2О ↔ СО+ 4Н2 — 165,1 ,
СО + Н2О ↔ СО2+ Н2 + 41,2
Для осуществления паровой конверсии метана необходим внешний подвод теплоты с температурой не менее 750℃. Реакторы паровой конверсии для максимально полной степени конверсии метана активируют различными катализаторами.
Необходимо отметить, что каталитическая паровая конверсия углеводородов по тепловому эффекту и количеству получаемого водорода в несколько раз превосходит некаталитические эндотермические процессы типа пиролиза, крекинга и деполимеризации углеводородов [2]. Сложность состоит в создании развитой каталитической поверхности теплообмена и в поддержании ее свойств в течении всего времени эксплуатации изделия.
Таким образом регенерация теплоты отходящих газов за счет паровой конверсии природного газа является наиболее перспективным в настоящее время.
Список литературы:
- 1. Данилов, О. Л. Использование вторичных энергетических ресурсов / О. Л, Данилов, В. А. Мунц. — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2008. — 154с.
- 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
- Семененко, Н. А. Вторичные энергоресурсы промышленности и и энерготехнологическое комбинирование / Н. А. Семенко. — М.: Энергия, 1983.
- Соколов, Е. Я.. Струйные аппараты. Изд. 2-е // Е. Я. Соколов, Н. М. Зингер. — М.: Энергия, 1970. — 288с.
- Щукин, А. А. Газовое и печное хозяйство заводов / А. А. Щукин. — М.: Энергия. — 1966. — 232с.
- Olmsted, J. H. Heat engine efficiency enhancement through chemical recovery of waste heat / J. H. Olmsted, P. G. Grimes // Proceedings of 7th International Energy Conversion Engineering Conference. 1972. — P. 241-248.[schema type=»book» name=»Использование термохимических методов регенерации теплоты. Регенерация теплоты за счет паровой конверсии природного газа.» description=»Рассмотрена актуальность вопросов повышения энергоэффективности высокотемпературных теплотехнологических установок. Показано, что на долю тепловых потерь с отходящими дымовыми газами для различных установок приходится до 75% общих потерь. Описан способ повышения энергоэффективности ВТУ за счет паровой конверсии метана. Приведены краткие сведения по механизму реакции паровой конверсии метана.» author=»Частикова Ольга Игоревна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2016-12-22″ edition=»euroasian-science.ru_25-26.03.2016_3(24)» ebook=»yes» ]