Повышение энергоэффективности барботажного реактора пиролиза метана

全文:

Обоснование. Для промышленного производства водорода пиролизом метана (ПМ) можно использовать барботажный реактор с колонной, частично заполненной каталитическим расплавом металлов. Практика использования лабораторных прототипов этих устройств показывает их эффективность. Так, при работе на подобном реакторе была достигнута 90 % конверсия метана при температуре расплава Ni27 %-Bi73 % в 1065 ℃ [1]. Однако такой способ производства водорода эффективен лишь при высоких температурах, что делает его энергозатратным.

Цель — разработка и предварительная оценка системы, повышающей энергоэффективность барботажного реактора (СПЭБР) пиролиза метана.

Методы. Высокие температуры в реакторе ПМ достигаются за счет использования электроэнергии и теплоты, выделяющейся при сжигании ценного сырья: природного газа и получаемой метано-водородной смеси. Дополнительным источником энергии при производстве водорода ПМ может стать тепло отходящих продуктов реакции [2]. Этот принцип предлагается использовать в СПЭБР, схема которой приведена на рис. 1. Горячий углерод направляется в теплообменник (ТО) с подвижным слоем, где отдает теплоту воде, превращая ее в пар. Этот пар поступает в паровую турбину (ПТ), вырабатывающую электроэнергию, которая в дальнейшем используется для покрытия части энергетических расходов производства.

Показателем эффективности СПЭБР является производимая ею мощность (Qc). Для нахождения Qc:

1) составлено уравнение теплового баланса для ТО, учитывающее зависимость молярной теплоемкости углерода и водяного пара от температуры, откуда после нахождения соответствующих интегралов было получено выражение для расхода холодного теплоносителя G2:

$G_2=\frac{\left(G_1\left(3\cdot a_1(T_{1K}-T_{1H})+\mathrm{1,5}{b}_1(T_{1K}^2-T_{1H}^2)-d_1(T_{1K}^{-3}-T_{1H}^{-3})\right)\right)}{\left(C_2(T_{2K}-T_{2H})+L+\left(3\cdot a_3(T_{3K}-T_{3H})+\mathrm{1,5}{b}_3(T_{3K}^2-T_{3H}^2)-d_3(T_{3K}^{-3}-T_{3H}^{-3})\right)\right)}$

где G1 = 1427 моль/c — расход углерода; С2 = 75,6 Дж/(моль · K) — молярная теплоемкость воды; L = 41,4 кДж/моль — молярная теплота парообразования воды; Т2н = 291 K — температура воды в трубопроводе; Т2к = Т3н = 373 K — температура кипения воды. Величины с индексом 1 относятся к углероду, с индексом 3 — к водяному пару. Их значения взяты из [1–4, 6, 7] и приведены в таблице 1.

 

Рис. 1. Общая схема системы, повышающей энергоэффективность барботажного реактора

 

Таблица 1. Справочные данные

Теплоноситель	Начальная температура Тн, K	Конечная температура Тк, K	Значения коэффициентов в формуле для теплоемкости
			a, Дж/(моль × K)	b, Дж/(моль × K2)	d, Дж × K3/моль
Углерод	1238	313	17,15	0,00427	–879,3 × 103
Водяной пар	373	833	30	1,071 × 10–6	330 × 103

 

После вычислений было получено:

G2 388 моль/с,

откуда найден массовый расход водяного пара:

G2m 6,98 кг/с;

2) определен общий теплоперепад ∆H на ПТ:

∆H = i2 – i1 1,2 × 106 Дж/кг,

где i1 = 3,6 МДж/кг — энтальпия перегретого пара на входе в турбину при Т3к, р1п = 3 МПа; i2 = 2,4 МДж/кг — энтальпия пара после расширения на выходе из турбины при Т2п, р2п = 0,12 МПа;

3) используя найденные значения G2m и ∆H, рассчитали полезную мощность ПТ Wпол:

Wпол = G2m × ∆H × hПТ 3,77 × 106 Вт,

где hПТ = 0,45 — КПД паровой турбины;

3) мощность, потребляемая насосом Wн для перекачки воды по ТО, равная мощности, затрачиваемой на его функционирование [5], вычислена как:

Wн = ηн · ∆p · G2m 2,23 · 104 Вт,

где ∆p = 3,8 МПа — перепад давления на насосе, ηн = 0,85 — КПД насоса;

4) учитывая КПД печи реактора (ηПР = 0,75) и найденные значения Wпол и Wн, определили значение Qc:

Qc = (Wпол – Wн) · hПР 2,8 · 106 Вт.

Результаты. Сравним мощность Qc, производимую СПЭБР, с энергозатратами производства (Qз), значение которых было взято из [1, 3]. Получим:

Qc/Qз · 100 % = 0,17 %,

откуда следует, что СПЭБР не компенсирует основные энергозатраты на производство водорода методом ПМ, но является дополнительным источником энергии. Также она полностью обеспечивает свое функционирование.

Вывод. Использование теплоты углерода, полученного при ПМ, повышает энергоэффективность производства водорода.

作者简介

Самарский государственный технический университет

Email: organa.anderson@mail.ru

студентка, группа 22-ФАиД-103, факультет архитектуры и дизайна

俄罗斯联邦, Самара

Самарский государственный технический университет

编辑信件的主要联系方式.
Email: evgkossareva@mail.ru

научный руководитель, кандидат технических наук, доцент; доцент кафедры «Физика»

俄罗斯联邦, Самара

参考

补充文件