Определение термодинамической эффективности реакторов частичного окисления энергохимических установок

Abstract

Актуальность исследования обуславливается необходимостью повышения энергоэффективности в области использования углеводородов для комбинированной выработки химической продукции и энергоносителей с применением технологий газификации. Это даст возможность снижать издержки производства и расширять возможности газохимии. Цель исследования: определение термодинамической эффективности реакторов частичного окисления топлива, входящих в состав энергохимических установок комбинированной выработкой энергоносителей и синтез-газа. Основное внимание уделено влиянию режимных параметров на численное значение эксергетического КПД. Объект: реактор частичного окисления с набором вспомогательного оборудования, обеспечивающий получение синтез-газа. При этом учитывается системный фактор, т. е. параметры энергосистемы, в рамках которой планируется сооружение подобного типа энергохимической установки. Методы: проведение численного эксперимента с привлечением традиционных подходов к составлению эксергетического баланса теплоэнергетических установок. Также использованы разработанные ранее авторами математические модели для расчета параметров синтез-газа, образующегося в процессе переработки углеводородного сырья в проточных автотермических некаталитических реакторах. Результаты. Полученные результаты позволяют выбирать наиболее целесообразные режимные параметры работы реактора частичного окисления, входящего в состав энергохимических установок с газификацией нестабильного газового конденсата. Так, максимальные значения эксергетического КПД достигаются при использовании атмосферного воздуха без обогащения кислородом как для случая с подачей водяного пара (ŋ ex =78-83 %), так и для случая без подачи пара (ŋ ex =82-88 %). При этом некоторые варианты тепловых схем энергохимических установок с газификацией топлива в термодинамическом плане могут считаться равноэффективными, а решение по количеству подаваемого водяного пара в зону реакции должно соответствовать требованиям к синтез-газу. Выбор уровня рабочего давления в реакторе требует дополнительных исследований, поскольку очевидность применения реактора атмосферного типа на данном этапе исследований не выявлена.

The relevance of the research is caused by the need to increase energy efficiency when using hydrocarbons for combined production of chemical products and energy carriers applying gasification technologies. This will allow reducing production costs and expanding the possibilities of gas chemistry. The main aim of the research is to determine the thermodynamic efficiency of partial fuel oxidation reactors, being the part of energychemical plants, by the combined production of energy carriers and synthesis gas. The main attention is paid to the influence of the regime parameters on numerical value of the exergy efficiency. Object of the research is a partial oxidation reactor with a set of auxiliary equipment for providing synthesis gas production. This takes into account the system factor, i. e. parameters of the power system within the framework of which it is planned to build a similar type of power plant. Method: numerical experiment involving traditional approaches to compiling exergy balance of heat and power plants. The authors have used as well the mathematical models developed earlier by them for calculating the parameters of synthesis gas formed at processing hydrocarbon raw materials in flow-through autothermal non-catalytic reactors. Results. The obtained results enable us to choose the most expedient operating parameters of the partial oxidation reactor, which is a part of the energy-chemical plants with the gasification of unstable gas condensate. So the maximum values of exergy efficiency are achieved by using atmospheric air without enrichment with oxygen, both for the case of water vapor supply ( ŋ ex =78-83 %), and for the case without steam supply ( ŋ ex =82-88 %). At the same time, some variants of thermal schemes of energy-chemical plants with fuel gasification in thermodynamic terms can be considered equally effective, and the decision on the amount of water vapor supplied to the reaction zone must meet the requirements for synthesis gas. The choice of working pressure level in the reactor requires additional studies since the evidence of the use of the atmospheric-type reactor is not revealed at this stage of the study.