Исследование процессов комплексной высокотемпературной энерготехнологической переработки природного газа

• Автор: Зайченко, Виктор Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 262 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
1 -1. Направления использования процессов энерготехнологической
переработки природного газа
1-2. Анализ существующих технологий получения синтез-газа и водорода
1 -3. Задачи исследования
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД «РЕГЕНЕРАТОР» ДЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
2-1. Высокотемпературный регенеративный нагреватель
2-2. Основные системы и агрегаты стенда
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПАРОВОЙ НЕКАТАЛИТИЧЕСКОЙ
КОНВЕРСИИ МЕТАНА В ТЕПЛООБМЕННИКЕ РЕГЕНЕРАТИВНОГО ТИПА
3-1. Механизм реакции паровой некаталитнческой конверсии метана
3-2. Расчет состава газа паровой некаталитической конверсии метана
3-3. Основные уравнения математической модели паровой некаталитической
конверсии метана в теплообменнике регенеративного типа
3-4. Результаты расчетов
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ НЕКАТАЛИТИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА В РЕГЕНЕРАТИВНЫХ НАГРЕВАТЕЛЯХ
4-1. Методика проведения экспериментального исследования
4-2. Влияние температуры насадки на состав сухого конвертированного газа
4-3. Содержание водяных паров и углерода в конвертированном газе
4-4. Влияние расхода парометановой смеси на состав конвертированного газа... 82 4-5. Влияние неизотермичности поля температуры в радиальном
направлении на состав конвертированного газа
4-6. О выделении углерода в насадке
4-7. Обсуждение результатов экспериментального исследования
4-8. О соответствии эксперимента с теоретическим расчетом
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ
ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА
5-1. Возможные пути повышения эффективности термического разложения природного газа
5-2. Результаты исследования пиролиза природного газа в насадке
регенеративного газонагревателя
5-3. Пиролиз природного газа в свободном объеме регенеративного газонагревателя
6. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ПИРОЛИЗА
И КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
6-1. Энергетические затраты на получение водорода различными методами
6-2. Сопоставительный анализ выбросов двуокиси углерода при получении
водорода различными методами
7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОДУКТОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА
7-1. Современное состояние и перспективы развития производства
металлизированного сырья
7-2. Анализ процессов прямого восстановления железа
8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГАЗОВОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
СЛОЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
8-1. Физико-химические процессы газового восстановления
8-2. Моделирование восстановительных процессов
8-3. Расчет восстановления одиночного окатыша
8-4. Расчет восстановления неподвижного слоя железорудных материалов
9. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОКАТЫШЕЙ В РЕТОРТЕ
9-1. Методика проведения экспериментов. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных. Использование различных газов-восстановителей
9-2. Изменение температурных полей и состава восстановительного газа
в процессе восстановления
9-3. Свойства металлизированного продукта
10. РАСЧЕТНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕПОДВИЖНОГО СЛОЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
10-1. Макрокинетические стадии реакции восстановления
10-2. Зависимость хода восстановления от условий проведения процесса
10-3. Влияние удельного расхода газа на показатели восстановления
10-4. Двухстадийное восстановление
11. ОПИСАНИЕ И РАСЧЕТ НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
В КАЧЕСТВЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО АГЕНТА ПРОДУКТОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ПРИРОДНОГО ГАЗА
11-1. Возможные технологические схемы и параметры процессов
11-2. Установка с открытым контуром восстановительного газа
11-3. Установка с системой рециркуляции восстановительного газа
12. УСТАНОВКА ПО ПРЯМОМУ ВОССТАНОВЛЕНИЮ ЖЕЛЕЗА ЧЕРЕПОВЕЦКОГО МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА
(АО СЕВЕРСТАЛЬ)
12-1. Конструкция и параметры работы установки прямого восстановления ЧерМК
12-2. Основные агрегаты, узлы и системы установки
12-3. Работа установки при восстановлении рудных материалов
12-4. Переработка цинкосодержащих отходов металлургического производства
13. ВЫВОДЫ
14. ЛИТЕРАТУРА
15. ПРИЛОЖЕНИЕ
1. ВВЕДЕНИЕ
1-1. Направления использования процессов энерготехнологической переработки природного газа
Изменение приоритетов в использовании различных видов топливно-энергетических ресурсов происходит достаточно быстро. В начале девятнадцатого столетия основным видом топлива было дерево. В конце прошлого века первое место по уровню потребления занимает уголь. В то время доля нефти и природного газа в общем балансе энергопотребления не превышала нескольких процентов. К 1975 году доля угля сократилась до 30%, примерно столько же приходилось на природный газ, в то время как потребление нефти становится определяющим, превышая 40%. Начиная с середины 70-х годов происходит относительное снижение потребления нефти. В 2000-му году, согласно имеющимся прогнозам, использование природного газа превысит потребление нефти и будет увеличиваться до 2020-2030 годов [1].
Переход от преимущественного использования в энергетических установках твердого топлива к нефти и природному газу кроме чисто технологических аспектов имеет большое значение для экологии. Последовательность приоритетного использования различных видов ископаемых топлив соответствует тому, как эти топлива располагаются по мере уменьшения вредного воздействия на окружающую среду. Экологическое загрязнение от использования природного газа меньше, чем от нефти. В свою очередь использование нефти приносит меньший вред окружающей среде, чем уголь. В условиях постоянно увеличивающегося потребления топливно-энергетических ресурсов другая последовательность в использовании природных топлив привела бы к непоправимому нарушению экологического равновесия. Сама природа в определенной степени контролирует степень воздействия на окружающую среду, связанную с жизнедеятельностью человека. Однако природный потенциал по переработке и нейтрализации вредных отходов не бесконечен. К настоящему времени становится очевидным, что обеспечение на земле экологического равновесия возможно только при условии целенаправленной и последовательной деятельности по минимизации технологических выбросов.
Технология использования каждого из видов ископаемых топлив в своем развитии проходит несколько этапов. Первоначально топливо используется только в чистом виде. В дальнейшем развиваются технологии его переработки, которые позволяют осуществлять более эффективное использование топлив в энергетических установках. Развитие этих технологий во времена преимущественного использования угля и нефти было

моль С/моль метана
Отношение содержания водорода к окиси углерода
Рис.7. Содержание углерода в конвертированном газе,
1 - содержание метана в продуктах реакции - 0%, 2 - 5,0%, 3 - 10%, 4 - 15%.
Высокотемпературный клапан
Отсутствие стандартной арматуры, отвечающей условиям эксплуатации регенеративных нагревателей газа в режиме пиролиза и конверсии, сделало необходимым разработку собственной конструкции высокотемпературного клапана, отвечающей условиям эксплуатации регенеративных нагревателей газа при конверсии и пиролизе. На стенде «Регенератор» использовался клапан диаметром 100 мм. Впоследствии на базе клапана Ву-100 были спроектированы и изготовлены клапана диаметром 200 мм, которые использовались при сооружении установки по прямому восстановлению железа ЧерМК.
Конструкция клапана Ву 100 представлена на рисунке 8. Клапан рассчитан на расход воздуха 0,4-0.5 кг/сек, давление 0,5-0,6 МПа и температуру рабочего газа до 2000 К. Корпус клапана, седло, фланцевые соединения, шток и сам клапан имеют водяное охлаждение, исключающее тепловые деформации. Шток охлаждается проточной водой также как и корпус клапана, их герметичность обеспечивается двумя сильфона-ми. Эти же сильфоны обеспечивают возможность небольших угловых и осевых смещений клапана при его установке на седле. Герметичность клапана достигается путем сопряжения по сфере места посадки клапана на седло. Для обеспечения плотного прилегания седло клапана выполняется из меди. Медная прокладка припаяна к охлаждаемой подложке из стали 12Х18Н10Т.