Рогалев Николай Дмитриевич - доктор технических наук, профессор, ректор,
Москва, 111250
Nikolay D. Rogalev - D.Sc., Professor, Rector,
Moscow, 111250
Рогалев Андрей Николаевич - доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой,
Москва, 111250
Andrey N. Rogalev - D.Sc., Associate Professor, Head of Department,
Moscow, 111250
Киндра Владимир Олегович - кандидат технических наук, доцент,
Москва, 111250
Vladimir O. Kindra - PhD, Associate Professor,
Moscow, 111250
Ковалев Дмитрий Сергеевич - ассистент,
Москва, 111250
Dmitriy S. Kovalev - Assistant,
Moscow, 111250
Вегера Андрей Николаевич - кандидат технических наук, старший преподаватель,
Москва, 111250
Andrey N. Vegera - PhD, Senior Lecturer,
Moscow, 111250
Введение. Наиболее распространенной технологией производства водорода является паровая конверсия метана. Ключевым недостатком конверсии считаются существенные выбросы углекислого газа в атмосферу, обусловленные наличием сжигания природного газа в воздухе в печи риформера. Решить данную проблему возможно за счет перехода на кислородное сжигание органического топлива. В настоящей работе представлены результаты разработки новой технологической схемы установки паровой конверсии метана. Выполнен сравнительный анализ разработанной схемы энергетических и экологических характеристик с ближайшим аналогом: установкой паровой конверсии метана с моноэтаноламиновой очисткой уходящих газов.
Метод. Для проведения термодинамического анализа вариантов технологических схем с использованием программного пакета Aspen Plus разработаны математические модели. Модели включают последовательно решаемые уравнения процессов кислородного горения топлива и реакции: парового риформинга, водяного сдвига и абсорбции моноэтаноламином. При моделировании учитывалась возможность протекания двух побочных реакций: паровой конверсии монооксида углерода и углекислотной конверсии метана. Для определения термодинамических свойств веществ использовалась база данных NIST REFPROP.
Основные результаты. По результатам термодинамического анализа установлено, что для предложенной технологической схемы установки паровой конверсии метана с кислородным сжиганием топлива повышение температуры с 850 до 1050 °С приводит к снижению массового расхода природного газа на 14,4 %. При этом оптимальная с термодинамической точки зрения температура в риформере, равная 950 °С, обеспечивает возможность достижения значения коэффициента использования теплоты топлива на уровне 79,2 %. Результаты сравнения энергетических и экологических характеристик двух рассматриваемых установок паровой конверсии метана позволили прийти к выводу, что предложенная схема с кислородным сжиганием топлива имеет два преимущества по сравнению со схемой с улавливанием углекислого газа абсорбцией моноэтаноламином: более высокая энергоэффективность (коэффициент полезного действия нетто выше на 2,12 %), более низкие выбросы парникового газа (выбросы ниже в 14,5 раз).
Обсуждение. Предложенная технологическая схема, а также разработанные математические модели могут быть использованы при разработке высокоэффективных установок паровой конверсии метана с минимальными выбросами вредных веществ в атмосферу.
At present, the most common technology for hydrogen production is steam methane reforming. Its key disadvantage is significant emissions of carbon dioxide into the atmosphere due to the presence of natural gas combustion in the air in the reformer furnace. This problem can be solved by switching to oxygen combustion of organic fuel. This paper presents the results of developing a new process flow diagram for a steam methane reforming and a comparative analysis of its energy and environmental characteristics with the closest analogue: steam methane reforming with monoethanolamine cleaning of exhaust gases. To perform a thermodynamic analysis of process flow diagram options using the Aspen Plus software package, mathematical models have been developed that include sequentially solved equations for the processes of oxygen combustion of fuel, steam reforming reaction, steam shift reaction and monoethanolamine absorption reaction at variable pressure. In addition, the modeling took into account the possibility of two side reactions: steam reforming of carbon monoxide and carbon dioxide reforming of methane. The NIST REFPROP database was used to determine the thermodynamic properties of the substances. The thermodynamic analysis showed that for the proposed flow chart of the oxygen-fired methane steam methane reforming, an increase in temperature from 850 to 1050 °C results in a 14.4 % decrease in the mass flow rate of natural gas. At the same time, the thermodynamically optimal temperature in the reformer, equal to 950 °C, provides the possibility of achieving the fuel HUF value of 79.2 %. In turn, the comparison of the energy and environmental characteristics of the two considered steam methane reforming units allowed us to conclude that the proposed flow chart with oxygen-fired fuel has two advantages over the flow chart with CO2 capture by absorption in monoethanolamine: higher energy efficiency (net efficiency is 2.12 % higher) and lower greenhouse gas emissions (carbon dioxide emissions are 14.5 times lower). The proposed process flow diagram, as well as the developed mathematical models, can be used in the development of highly efficient steam methane conversion plants with minimal emissions of harmful substances into the atmosphere.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.