Повышение энергетической эффективности высокотемпературных установок посредством термохимической рекуперации тепловых отходов

• Автор: Густаво Алонсо Рестрепо Монги
• Шифр специальности: 05.14.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ .
ГЛАВА 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЙ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ РЕКУПЕРАЦИИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ .

1.1. Энергия и энергоэффективность в настоящее время.

1.2. Рекуперация теплоты.

1.3. Развитие технологий термохимической рекуперации теплоты.

1.4. Математическое моделирование системы ТХР и е элементов.

1.5. Выводы но главе.

ГЛАВА2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

2.1. Концептуальная модель системы ТХР для ВТУ.

2.2. Описание конструкции реакционного элемента реакторарекуператора системы ТХР
2.3. Математическая одномерная модель реакторарекуператора
2.3.1. Упрощения и допущения
2.3.2. Модуль расчта свойств газов и тврдых тел
2.3.3. Модуль теплообменных расчтов
2.3.4. Модуль массообменных расчтов
2.3.5. Модуль кинетики химических реакций
2.3.6. Модуль массовых балансов
2.3.7. Модуль гидравлических расчтов
2.4. Двумерная математическая модель
2.5. Выводы по главе.
ГЛАВАЗ. ТАРИРОВОЧНЫЕ РАСЧЕТЫ. ОЦЕНКА ПРИГОДНОСТИ ПРЕДДАГАЕМЬК МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ
3.1. Сравнение результатов одномерных и двумерных моделей теплообменника в виде трубы Фильда
3.2. Сравнение результатов одномерной модели и экспериментальных данных
3.3. Выводы по главе.
ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСШ РАБОТЫ РЕАКГОРАРЕКУПЕРАТОРАИ СИС1ЕМЬ1ТХРВВДЛОМ
4.1. Оценка работы РР по разработанной модели.
4.2. Рассмотрение работы системы ТХР при ВТУ и опенка е эффективности.
4.2.1. Технологическая схема системы ТХР.
4.2.2. Моделирование системы ТХР и оценка е энергоэффективности.
4.2.3. Термодинамический анализ системы ТХР при ВТУ
4.2.4. Сравнение схем систем ТХР и ТР
4.3. Выводы по главе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Высокотемпературные установки (ВТУ) такие, как стекловаренные печи, характеризуются не только своим интенсивным энергопотреблением, но также выбросом горячих дымовых газов и низкой утилизацией энергии топлива. Вследствие этого были созданы энергосберегающие системы, основанные на термической рекуперации (ТР) теплоты горячих дымовых газов [1,2]. Высокие затраты энергии и растущее беспокойство по поводу негативных последствий^ потребления энергии ископаемого топлива способствовали развитию технологий термохимической рекуперации (. ТХР), в которых дополнительное количество теплоты от дымовых газов используется^ для превращения топлива в газовую смесь с более высоким тепловым эффектом. Природный газ способен* превращаться- В' синтез-газ при помощи эндотермических реакций конверсии-метана, его основного компонента. Таким образом, ТХР, в сочетании с ТР, способствует значительному снижению количества топлива, необходимого для энергоснабжения ВТУ [3]. В настоящей диссертации проводится анализ преимуществ использования системы ТХР в ВТУ при1 условиях работы, подобных условиям функционирования стекловаренных установок. Представленные здесь результаты исследования опираются на работы российских и зарубежных ученых: И. И. Перелётова, М. Ф. Шопшина, В. Н. Новосельцева, А. В. Г. Носача, А. Н. Крылова, G. F. Froment, J. Xu, М. H. Wesenberg, J. A. Liu и др:, посвященные термохимической рекуперации, конверсии метана и повышению энергоэффективности. В первой главе данной работы выполнен обзор современного состояния технологии ТХР. Рассматриваются основы рекуперации теплоты в ВТУ. Во второй главе описывается разработанная математическая модель главного аппарата системы ТХР - реактора-рекуператора. В третьей главе приведено сравнение результатов, полученных по одномерной и двумерной моделям, соответственно разработанным в вычислительных комплексах Mathematica l Fluent, а также с экспериментальными, данными, полученными на опытных установках, и опубликованными в. Новосельцева В;Н. Установлено, что математическая модель и принятые в ней допущения позволяют проводить инженерные', расчёты и? ВТУ с необходимой* для. И¦; наконец, в четвёртой главе представлена технологическая схема промышленной печи. ТХР (рис. Также определены наиболее эффективные условия работы с точки зрения повышения энергетической, эффективности- с помощью* компьютерного комплекса Aspen Hysys. Целью работы является; повышение энергетической эффективности высокотемпературных установок на основе термохимической рекуперации. РР), в объеме которого расположены реакционные элементы (РЭ), имеющие вид трубы Фильда. Предметом исследования являются процессы, протекающие в ВТУ с ТХР, а также условия повышения их энергоэффективности. Инструментом исследования являются, разработанные в вычислительных комплексах Mathematica и Fluent, математические модели химических и тспломассообменных явлений, протекающих в PP. Методы исследования. При? При проведении вычислительных экспериментов были использованы методы численного моделирования теплообмена и гидродинамики. Научная новизна работы. Впервые разработана математическая модель РР, которая позволяет определить температурное поле протекающих но тракту РР газов с учетом переменности их теплофизических свойств и свойств конструктивных элементов, образующих РР; влияние рабочих параметров (температуры, давления, расхода газов)' и режимов работы на рекуперацию теплоты и эффективность РР. Нуссельта и Шервуда по тепло- и массообменным поверхностям РЭ и потоков излучения в каналах РЭ и РР, а также проведение гидравлических расчётов. Подтверждено, что при соотношении между молярными расходами водяного пара и метана в смеси, поступающей в РР, равном двум, процесс термохимической рекуперации протекает с наибольшим коэффициентом полезного действия; при более низкой величине этого соотношения наблюдается интенсивное сажеобразованис. На основании массового, энергетического и эксергетического балансов технологической схемы с ТХР определены эффективные условия её работы.