3.4. Энерготехнологическое комбинирование при получении водорода

Основным технологическим звеном энерготехнологической установки получения водорода является печь-реактор [8], где происходит паровая конверсия метана

. (51)

Исходное сырье (природный газ) под давлением прокачивают вместе с паром через подогреватель 7, а оттуда в подогретом состоянии газ поступает в реактор для конвертирования. Необходимый для конверсии водяной пар требуемых давления и температуры подается из парового котла, работающего на отходящих продуктах сгорания, поступающих из реактора. Вода питательным насосом подается в экономайзер 11, обогреваемый конверторным газом, а оттуда в барабан котла 4. Котловая вода из барабана поступает в испарительную часть котла 6 и в котел-охладитель конвертированного газа 10. Отсепарированный пар из барабана направляется в пароперегреватель 5, оттуда пар поступает в подогреватель 7, а затем в реактор для участия в процессе конверсии. Воздух для горения вентилятором 9 подается в воздухоподогреватель, а затем в горелки трубчатой печи.

Рис. 32. Энерготехнологическая схема получения водорода:

1 – трубчатая печь; 2 – трубчатые элементы с катализатором; 3 – горелка; 4 – барабан;

5 – пароперегреватель; 6 – испаритель основного котла-утилизатор;7 – подогреватель смеси газа и пара; 8 – воздухоподогреватель; 9 – вентилятор; 10 – газотрубный котел-утилизатор; 11  экономайзер

Отходящие от реактора продукты сгорания с температурой 930 С последовательно проходят газоходы пароперегревателя, испарителя, подогревателя сырья, воздухоподогревателей и дымососом выбрасываются в дымовую трубу. Конвертированный газ на выходе из реактора имеет температуру 830 С и после охлаждения в котлах-охладителях направляется для дальнейшего технологического использования.

Количество пара, вырабатываемого в данной энерготехнологической установке, превышает потребность для целей конверсии. Избыток пара поступает в заводскую сеть для нужд производства.

Тепловой расчет схемы

Расход газа на конверсию В₁, расход газа на сжигание В₂, сжигание осуществляется с коэффициентом избытка воздуха  = 1,051,2. Расход воздуха на сжигание составляет , расход продуктов сгорания .

1. Тепловой баланс топки

, (52)

где  температура воздуха на выходе из воздухоподогревателя;  температура газов на выходе из радиационной печи (обычно составляет ~900 С);  количество теплоты, отданное теплообменным поверхностям, которое зависит от теплового эффекта реакции и соотношения расходов газов на сжигание и на конверсию.

2. Тепловой баланс пароперегревателя:

. (53)

3. Тепловой баланс испарителя:

, (54)

где D₁  расход пара, вырабатываемый основным котлом-утилизатором.

4. Тепловой баланс подогревателя парогазовой смеси:

, (55)

где  количество пара, идущего на конверсию метана, оно находится из стехиометрического соотношения , т.е. ; _п.п – удельный объем перегретого пара, м³/кг; с_см – объемная теплоемкость парогазовой смеси, кДж/(м³К);  искомая температура подогретой парогазовой смеси; t₄ и t₃  соответственно температуры после и до подогревателя газа.

5. Тепловой баланс воздухоподогревателя:

, (56)

где   130 С,  температура воздуха на входе в воздухоподогреватель.

6. Тепловой баланс трубчатого реактора:

, (57)

где Q_р  тепловой эффект реакции конверсии, равный 9,2 МДж/м³, Q_т – теплота, воспринятая трубчатыми элементами в печи (смотри уравнение (52)); G_пр – расход продуктов конверсии, который связан с расходом исходного природного газа соотношением ( ); t_пр – температура продуктов конверсии за трубчатой печью.

7. Тепловой баланс газотрубного котла-утилизатора:

, (58)

где D₂ – расход пара, вырабатываемый газотрубным котлом-утилизатором,   температура продуктов конверсии за котлом-утилизатором.

8. Тепловой баланс экономайзера:

. (59)

Заданной технологией величиной является расход продуктов конверсии, подлежат определению требуемые расходы природного газа пара, а также характерные температуры.