WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

м3(СО2)

кг у.т.(Н2)

4,126,77

1,671,85

КПИ энергии действующего производства

0,120,19

0,210,23

Энергоемкость ТДИМ

кг у.т.

м3(Н2)

1,021,15

0,1310,136

Потенциал резерва интенсивного энергосбережения действующего производства

кг у.т.

м3(Н2)

0,83 2,02

0,2590,289

Совокупный выход СО2 в ТДИМ

м3(СО2)

кг у.т.(Н2)

2,262,56

1,001,12

КПИ энергии ТДИМ

0,320,36

0,660,69

Производство водорода методом электролиза характеризуется высокими значениями энергоемкости (более чем в 5 раз выше собственной энергоемкости водорода) и высокими значениями совокупного выхода СО2 (более чем в 5 раз выше выхода СО2 от эквивалентного по теплоте сгорания природного газа). Причиной этого являются высокие затраты первичной энергии на производство электроэнергии в действующем ЗТТК на базе органического топлива. Большие перспективы экологически чистого, с точки зрения выбросов СО2, производства электролитического водорода могут открыться при изменении структуры производства электроэнергии (например, на базе АЭС) и при максимальном использовании получаемого кислорода.

Производство водорода на базе ПВК по указанным энергетическим и экологическим характеристикам превосходит электролиз и характеризуется энергоемкостью в 1,14 раза выше собственной энергоемкости водорода, и совокупным выходом СО2, который более чем в 2 раза превышает от эквивалентного по теплоте сгорания природного газа. Достижение значительных энергосберегающих эффектов при производстве водорода на базе ПВК достигается при внешнем энергетическом использовании низкопотенциальной теплоты, а снижение совокупного выброса СО2 в атмосферу в значительной степени невозможно, так как выход СО2 почти на 80% осуществляется в процессе технологии производства водорода.

На основании полученных расчетных данных (табл. 1) видно, что производство водорода методом электролиза и ПВК обладают значительными принципиальными возможностями энергосбережения и сокращения СО2, но даже при полном использовании этого принципиально возможного потенциала экологически чистое производство водорода невозможно без изменения структуры действующего энергетического комплекса.

Во второй главе устанавливается, что продукт термического разложения природного газа – сажеводородная смесь (СВС) является экстремальным источником энергии и перспективным сырьем для экологически более совершенного производства водорода.

Экстремальность СВС заключается в том, что становится возможным достижение высокого уровня температуры горения при низких уровнях коэффициента расхода окислителя, которые в 1,7-2,7 выше температур при горении природного газа (рис.1). Это позволяет разрабатывать новые перспективные энергосберегающие схемы безокислительных и восстановительных процессов при вторичном топливоиспользовании.

В числе действующих в настоящее время способов получения СВС на базе термического разложения природного газа можно отметить: 1) плазмотроны, 2) регенераторы с насадкой периодического действия.

Для определения теоретически минимального количества теплоты процесса термического разложения природного газа проводились расчеты термодинамики и кинетики этого процесса на базе программного комплекса «Астра-4» и модели Касселя, в которой термическое разложение протекает через ряд реакций:

и включает систему дифференциальных уравнений:

(6)

Здесь: константы скоростей химических реакций; – количество соответствующего компонента в смеси; – время протекания процесса термического разложения метана.

Установлено, что достаточно быстрое протекание процесса термического разложения природного газа происходит при температурах, превышающих 1300оС (рис.2). При этом теоретически минимальные затраты теплоты составляют: =4686,85 кДж/м3(Н2).

Поэтому далее в качестве рабочего температурного уровня принята температура 1300оС.

Характеристики энергетической эффективности действующих способов термического разложения природного газа представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Показатель

Обозначение

Размерность

Плазмотрон

Регенератор с насадкой

Приведенный удельный расход первичного топлива в производстве СВС

кг у.т.

м3(Н2)

1,27

0,60

КПИ производства СВС

0,12

0,24

Приведенный удельный расход первичноготоплива в производстве СВС

в условиях ТДИМ плазмотрона и регенератора с насадкой

кг у.т.

м3(Н2)

0,64

0,36

КПИ производства СВС в условиях ТДИМ плазмотрона и регенератора с насадкой

0,23

0,42

Низкие показатели энергетической эффективности действующих реакторов для производства СВС связаны с большими затратами энергоемкой электрической энергии в плазмотронах и значительными потерями, характерными для регенераторов с насадкой.

Разработаны схемы (рис. 3) производства водорода в условиях ТДИМ на базе действующих способов термического разложения природного газа при использовании глубокой регенерации теплоты, в том числе технологической регенерации теплоты.

Рис. 3. Технологическая и структурные схемы производства водорода на базе

термического разложения природного газа (КЦА - короткоцикловая адсорбция)

Для предложенных схем проведен расчет материальных и тепловых балансов в условиях ТДИМ, определены энергоемкость технологии производства водорода и совокупный выход СО2 - для каждой схемы. Расчеты производилось, как при энергетическом, так и при технологическом использовании углерода. Данные расчетов представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Структурной схемы

,

кг у.т./м3(Н2)

, м3/кг у.т.(Н2)

(технологическое использование углерода)

,м3/кг у.т.(Н2)

(энергетическое использование углерода)

1.

0,142

0,775

1,455

2.

0,071

0,615

1,294

3.

0,558

1,427

3,104

4.

0,473

1,239

2,603

5.

0,624

1,576

2,94

6.

0,499

1,298

2,662

Таким образом, среди анализируемых схем наилучшими энергетическими и экологическими критериями обладает схема №2, для которой характерно технологическое использование углерода, что является исключительно важным при выборе способа получения водорода не базе термического разложения природного газа.

Повышение энергетической эффективности производства водорода на базе термического разложения природного газа в первую очередь основано на технологическом использовании выделяемого углерода и на создании более перспективных с энергетической точки зрения способов получения СВС. В соответствии с этим предлагается способ термического разложения природного газа в жидкометаллическом теплоносителе, идея которого разрабатывалась ВНИИПромгазом

1

. Предлагаемый способ реализуется по схеме, изображенной на рис. 4. Схема состоит из подогревателя углеводородного сырья 1, реакционной камеры пиролиза углеводородного сырья 2, камеры нагрева промежуточного жидкометаллического теплоносителя 3, камеры ЭХА отходящих газов (ОГ) 4, подогревателя топлива и окислителя 5. В качестве рабочих сред на схеме показаны: углеводородное сырье 6, жидкий теплоноситель 7, продукты пиролиза (СВС) 8, продукты сгорания 9, газовое топливо 10, окислитель 11, отходящие газы 12, природный газ для энергохимической аккумуляции 13, вторичное топливо 14.

Предлагаемый способ включает в себя следующие процессы: подогрев природного газа и его подачу на стадию термического разложения, которое осуществляется при контакте с жидким теплоносителем. Для нагрева жидкого теплоносителя в нагревательной камере используют горение газового топлива в окислителе с долей кислорода КО2=0,40,95 и коэффициентом расхода окислителя =0,40,8. Отходящие газы подвергают процессу ЭХА природным газом, получая ВТ. При этом увеличивается доля горючих компонентов и снижается температура газов до 1000оС, дальнейшее охлаждение ВТ до температуры окружающей среды происходит за счет подогрева природного газа, топлива и окислителя. Разработанный способ защищен патентом на изобретение РФ.

Приведенный удельный расход топлива на производство СВС предлагаемым способом в условиях ТДИМ, при учете повышенных давлений газовых сред, в зависимости от КО2 и составил 0,1890,237 кг у.т./м3(Н2). При этом КПИ энергии на уровне первичного топлива составляет 0,630,79, что в 1,5 раза выше КПИ регенератора с насадкой и в 3,4 раза выше плазмотрона в условиях ТДИМ (см. табл. 2).

В третьей главе разрабатываются теплотехнологические схемы перспективной модели производства водорода на базе СВС при расчете энергетических и экологических характеристик, а также принципиальные конструктивные схемы реакторов для термического разложения природного газа. Разработка проводится на основе предложенного способа термического разложения природного газа в жидкометаллическом теплоносителе при использовании мероприятий интенсивного энергосбережения. Одна из разработанных схем показана на рисунке 5.

Для расчетов процесса ЭХА отходящих газов нагревательной камеры составлена математическая модель, которая дополняет известную методику*

2 расчета ЭХА расширенным числом компонентов газовой смеси и возможностью дополнительного расчета процессов охлаждения и грануляции уноса в ОГ в процессе ЭХА.

Для разработанной схемы проведены расчеты материальных и тепловых балансов в зависимости от степени обогащения окислителя кислородом КО2 и коэффициента расхода окислителя при сжигании топлива в нагревательной камере с целью получения качественного ВТ. На базе полученных данных рассчитаны значения энергоемкости технологии производства водорода (рис.6) и совокупного выхода СО2 для ТДИМ.

Энергоемкость производства водорода в зависимости от КО2 и составляет 0,0140,084 кг у.т./м3(Н2), а совокупный выход СО2 в атмосферу 0,0310,187 м3 (СО2)/кг у.т.(Н2). Эти данные были получены при полном использовании физической теплоты продуктов термического разложения природного газа и технологическом использовании углерода.

С целью получения вторичного топлива, которое по пирометрическим характеристикам не уступает природному газу, в нагревательной камере необходимо использовать окислитель с КО2 >0,6 и при <0,6. При этом значение энергоемкости будет составлять 0,0710,084 кг у.т./м3(Н2), а совокупный выход СО2 0,1580,187 м3 (СО2)/кг у.т.(Н2).

Расчеты энергетических и экологических параметров предлагаемой схемы производства водорода при работе в практических условиях показали, что энергоемкость технологии производства водорода достигает 0,138 кг у.т./м3(Н2), что в 2,8 раза меньше лучших действующих способов получения водорода, а совокупный выход СО2 равен 0,307 м3 (СО2)/кг у.т.(Н2), что в 2,7 раза меньше от эквивалентного количества по теплоте сгорания природного газа и в 5,5 меньше лучших действующих способов получения водорода.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»