Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation
A significant amount of natural gas is used for the realization of technological processes in various industrial furnaces. The temperature of exhaust gases of such furnaces can reach 1500 – 1800 K, which leads to significant heat losses and low fuel utilization factors (FUF). The most efficient way...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
2014
|
| Онлайн доступ: | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/515 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | System Research in Energy |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
System Research in Energy| _version_ | 1871103956477804544 |
|---|---|
| author | Yatsenko V.P. Shraiber O.A. |
| author_facet | Yatsenko V.P. Shraiber O.A. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Yatsenko V.P.",
"institution": null
},
{
"author": "Shraiber O.A.",
"institution": null
}
] |
| author_sort | Yatsenko V.P. |
| baseUrl_str | https://systemre.org/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T12:57:41Z |
| description | A significant amount of natural gas is used for the realization of technological processes in various industrial furnaces. The temperature of exhaust gases of such furnaces can reach 1500 – 1800 K, which leads to significant heat losses and low fuel utilization factors (FUF). The most efficient way of substantial decreasing these losses is connected with the technology of thermochemical recuperation (TCR), based on fuel reforming with exhaust gases. In order to maximize the FUF of industrial furnaces, it is reasonable to apply combined recuperation, i.e. TCR and heating of the air that is fed for combustion.We consider two schemes of combined recuperation with parallel or successive position of the fuel reformer and air heater. A method for the thermodynamic calculation of these schemes has been proposed, and the corresponding software has been developed. We present also an example of numerical results, where it is shown that the «parallel» scheme enables one to reach a very high FUF ~ 99 %, whereas the «successive» one gives FUF ~ 95 %. For comparison sake, we calculate the schemes of «pure» TCR or air heating, which result in FUF = 80 – 90 %. |
| first_indexed | 2026-03-24T02:02:04Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 1 (36) 19
НАУКОВІ ОСНОВИ ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ
ТА ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧОЇ ПОЛІТИКИ
У багатьох державах, включаючи Україну, знач-
на кількість природного газу витрачається на
реалізацію тих чи інших технологічних проце-
сів у різноманітних високотемпературних про-
мислових печах. Температура відпрацьованих
газів скловарних печей становить 1200–1400 К,
сталеплавильних – 1700–1800 К, а нагріваль-
них колодязів у машинобудуванні – 1500–1600
К. Тому, якщо ці вторинні енергоресурси не
використовуються, втрати теплоти з димовими
газами сягають 50–70%. Отже, необхідно роз-
робити методи істотного підвищення енерго-
ефективності цих установок шляхом регенера-
ції теплоти відпрацьованих газів [1–4].
Найбільш очевидний варіант тут пов’язаний
із нагріванням повітря, що надходить на горін-
ня палива, але він має два недоліки: кількість
повітря і його питома теплоємність менше, ніж
відповідні параметри продуктів згоряння (ПЗ);
зростання температури повітря збільшує вики-
ди NOx в атмосферу. Цих недоліків позбавле-
ний метод термохімічної регенерації (ТХР)
[1–5], що ґрунтується на ендотермічній реакції
конверсії природного газу з тим чи іншим
реагентом: СО2, Н2О або ПЗ. Вуглекислотна
конверсія [6] пов’язана з величезними витрата-
ми, і такий варіант навряд чи знайде застосу-
вання у практиці. Парова конверсія, що роз-
глядається в [1, 3], потребує значної кількості
водяної пари (до 1,125 кг на 1 кг вихідного
палива) і, відповідно, хімічно очищеної води.
Мабуть, найбільш зручний варіант – це кон-
версія з продуктами згоряння, і далі розглядає-
мо його. При цьому доцільно використати як
термохімічну, так і повітряну регенерацію, що
дозволяє отримати максимальний ефект
(наприклад, для газотурбінної установки це
показано в [7]). Мета цієї роботи полягає у роз-
робленні найбільш доцільної схеми комбінова-
ної регенерації для промислових печей та мето-
ду розрахунку робочого процесу.
Термохімічний реактор та теплообмінник
для нагрівання повітря можна розташувати
трьома способами: паралельно чи послідовно
(реактор за теплообмінником або навпаки).
Очевидно, другий варіант a priori можна вважа-
ти невдалим: у цьому випадку ТХР проводить-
ся при досить низьких температурах, і її ефек-
УДК 536.7
ВИКОРИСТАННЯ ТЕПЛОТИ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ ПРОМИСЛОВИХ ПЕЧЕЙ МЕТОДОМ
ТЕРМОХІМІЧНОЇ РЕГЕНЕРАЦІЇ
Розглянуто схеми використання фізичної теплоти відпрацьованих газів промислових
печей на основі технології термохімічної регенерації. Розроблено методи їх термодина-
мічного розрахунку. Показано, що комбінована (термохімічна та повітряна) регенерація
дозволяє підвищити коефіцієнт використання палива до ~99%.
К л ю ч о в і с л о в а: термохімічна регенерація, промислова піч, відпрацьовані гази, кон-
вертоване паливо, коефіцієнт використання палива.
© ЯЦЕНКО В.П., ШРАЙБЕР О.А., 2014
В. П. ЯЦЕНКО, канд. техн. наук, О. А. ШРАЙБЕР, д-р техн. наук
Інститут загальної енергетики НАН України, м. Київ
20 ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 1 (36)
В.П. ЯЦЕНКО, О.А. ШРАЙБЕР
тивність (яка сильно і нелінійно залежить від
температури) буде незначною*. Тому розгляне-
мо два інші варіанти.
При паралельному розташуванні апаратів
(рис. 1) ПЗ із печі надходять у розподільник 5 і
поділяються на два потоки. Один із них спря-
мовується в реактор, а другий – у теплообмін-
ник. Після виходу з реактора необхідна кіль-
кість ПЗ розподільником 4 направляється у
змішувач 6, а залишок скидається в атмосферу.
В реакторі фізичне тепло димових газів вико-
ристовується для здійснення конверсії палив-
ної суміші, яка надходить зі змішувача. Після
теплообмінника 3 ПЗ виводяться в атмосферу,
а нагріте до певної температури повітря пода-
ється у піч.
У третьому із згаданих варіантів (рис. 2)
димові гази після виходу з печі послідовно про-
ходять реактор і теплообмінник Далі, як і у
попередньому варіанті, необхідна частина ПЗ
подається у змішувач 6, а інша частина скида-
ється в атмосферу.
Для визначення енергетичної ефективності
наведених схем потрібно розробити метод їх
термодинамічного розрахунку. При цьому
будемо вважати, що втрати теплоти через
стінки реактора, теплообмінника, розподілю-
вачів, змішувача і сполучних трубопроводів
незначні, і ними можна знехтувати. Для спро-
щення приймаємо, що вихідне паливо склада-
ється із чистого метану, та розглядаємо випадок
стехіометричних реакцій конверсії і горіння
метану та конвертованого палива (КП):
СН4 + (СО2 + 2Н2О + 7,52N2) /3 → (4CO +
+ 8H2 + 7,52N2) /3; (1)
СН4 + 2О2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2О +
+7,52N2 ; (2)
(4CO + 8H2 + 7,52N2) /3 + 2О2 + 7,52N2 →
→ (4/3) (СО2 + 2Н2О + 7,52N2) (3)
(тут умовно вважається, що реакція (1) іде до
кінця, але склад продуктів згоряння КП буде
однаковий незалежно від ступеня конверсії).
Підкреслимо, що кількість ПЗ конвертованого
палива у 4/3 раза більша, ніж при спалюванні
метану.
Позначимо через І фізичну ентальпію газу
(газової суміші), через Q – його (її) калорій-
ність, а через J – повну ентальпію (у
МДж/кмоль метану, що надходить в установ-
ку). Нижні індекси у цих величин відповідають
точкам на рис. 1 і 2 (літери в кружечках).
Розглянемо спочатку схему на рис. 1. Для
кожного варіанта розрахунку задаються такі
* Для парової конверсії подібна схема пропонується в [3] – тут найбільш гарячі ПЗ подаються не у термохімічний реак-
тор, а в парогенератор.
Рис.1. Схема печі з термохімічною регенерацією теплоти димових газів при паралельному розташуванні
реактора і теплообмінника: 1 – піч; 2 – реактор; 3 – теплообмінник; 4, 5 – розподільники; 6 – змішувач
Використання теплоти відпрацьованих газів промислових печей методом термохімічної регенерації
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 1 (36) 21
Рис. 2. Схема печі з термохімічною регенерацією теплоти димових газів при послідовному розташуванні
реактора і теплообмінника (позначення за рис. 1)
вихідні дані: температури Ta, Tb, Tc, Tk, частка
потоку ПЗ із печі, що надходить у реактор,
у (звичайно, у ≥ 0,25) і коефіцієнти у відомих
тричленних формулах [8] для істинної тепло-
ємності семи речовин, що розглядаються (див.
(1) – (3)). Спочатку за допомогою згаданих
формул [8] обчислюються значення Іa та Іс
(склад ПЗ у цій точці відповідає правій частині
(3)), а з використанням розробленої раніше
програми EQCO4 [5] – Jk. З урахуванням при-
йнятих припущень рівняння енергетичного
балансу реактора можна записати як
If – Ih = Jk – Ja – Ii, (4)
де Ja = Іа + Qa; Qa – калорійність метану; If = уІс;
Ii = Ih/(4y). Це дозволяє знайти ентальпію про-
дуктів згоряння у точці h. Оскільки теплоємність
речовин, що розглядаються, істотно залежить
від температури, для обчислення Th (по відомій
ентальпії Ih) використовується ітераційна про-
цедура, детально описана у роботі [7].
Далі розраховуються параметри теплообмін-
ника. Тут рівняння балансу енергії має вигляд
Ig – Id = Ie – Ib (Ig = Ic (1 – y)), (5)
отже, для його розв’язання (обчислення Id та
Td) потрібно задати значення температури
гарячого повітря Tе (дещо нижче, ніж темпера-
тура ПЗ на виході із печі). Зрозуміло, що ця
температура повинна залежати від величини у і
температури ПЗ Td на виході з теплообмінника.
Для збільшення економії первинного палива
потрібно домагатися мінімальних (реально
можливих) значень Td (звичайно, така вимога
стосується і температури після реактора Th).
Але, з іншого боку, різниця температур між
теплоносіями ΔТ на «холодному» кінці обох
апаратів не повинна бути надто малою, бо це
призвело би до необхідності мати дуже розви-
нену поверхню теплообміну. Тут необхідно
відзначити, що температура Tj реагуючої сумі-
ші, що складається з одного моля метану та 3,5
молів ПЗ (див. (1)), досить близька до Ті = Th.
Отже, щоб забезпечити тут значну ΔТ,
необхідно підіймати температуру Th, що зни-
зить коефіцієнт використання палива (КВП).
Тому у межах нашого аналізу не будемо накла-
дати обмежень на рівень Th і вимагатимемо
тільки
Td – Tb ≥ ΔТ1, (6)
де ΔТ1 – деяке реперне значення ΔТ, що виби-
рається з діапазону 25–50 К. Якщо ж нерівність
(6) не виконується, чи різниця ΔТ на «холодно-
му» кінці реактора або/та теплообмінника дуже
велика, то потрібно задати нові значення у та
(можливо) Te, Tk і повторити розрахунок.
Останній крок – це обчислення КВП:
η = 1 – (Il + Id)/(Ja + Ib)
(Il = Ih (1 – 0,25/y)). (7)
В.П. ЯЦЕНКО, О.А. ШРАЙБЕР
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 1 (36)22
Тепер розглянемо варіант послідовного
розташування апаратів (рис. 2). Задаються
значення Ta, Tb, Tc, Tk та Tе. Для кожної із цих
температур за формулами [8] обчислюються
відповідні ентальпії, а за програмою EQCO4 –
повна ентальпія КП Jk. Рівняння енергетич-
ного балансу для реактора та установки в
цілому (за винятком печі) записуються як
Ic – Ig = Jk – Ja – Ii , (8)
Ic – Id = Jk – Ja + Ie – Ib, (9)
де Ii = Ih/4; Id = 3Ii. Далі із (9) знаходиться зна-
Таблиця 1 – Термодинамічні параметри схем утилізації теплоти відпрацьованих газів
при Тс = 1100 К; у = 0,798
Таблиця 2 – Термодинамічні параметри і КВП при Тс = 1200 К; у = 0,698
Використання теплоти відпрацьованих газів промислових печей методом термохімічної регенерації
ISSN 1562-8965. Проблеми загальної енергетики, 2014, вип. 1 (36) 23
чення Id, а із (8) – ентальпія продуктів згорян-
ня між реактором та теплообмінником:
Ig = [4 (Ic – Jk + Ja) – Ie + Ib]/3. (10)
Відповідні температури обчислюються за
процедурою [7], і перевіряється виконання
нерівності Tg – Te ≥ ΔT2 та нерівності (6). У разі
необхідності (подібно до схеми на рис. 1)
задаються нові значення Te та/або Tk, і розраху-
нок повторюється. Нарешті, обчислюється КВП
за формулою (7), де доданок Il випускається.
Описані алгоритми було реалізовано у про-
грамах PAR1 та SUC1, та проведено широкі
числові дослідження. Деякі результати, як при-
клад, наведено у табл. 1 і 2 (тут Ta = Tb = 300 К;
Tk = 970 К).
Таким чином, використання представлених
схем комбінованої регенерації дозволяє отри-
мати дуже високий коефіцієнт використання
палива, особливо при паралельному розташу-
ванні апаратів. Для порівняння наведемо зна-
чення КВП для умов табл. 1 і 2 при ТХР або
повітряній регенерації: η = 80–90%. На закін-
чення відзначимо, що наведені формули легко
узагальнити на випадок нестехіометричних
реакцій горіння або/та конверсії.
ВИСНОВКИ
Виконано термодинамічний аналіз схем
комбінованої (термохімічної та повітряної)
регенерації фізичної теплоти відпрацьованих
газів промислових печей із паралельним та
послідовним розташуванням реактора і тепло-
обмінника. Записано рівняння енергетичного
балансу елементів схем (4), (5), (8) – (10).
Проведені числові дослідження демонструють,
що схема з паралельним розташуванням реак-
тора і теплообмінника дозволяє отримати дуже
високий коефіцієнт використання палива –
η ~ 99 %.
1. К опытно-промышленным испытаниям
стекловаренной печи с химической
регенерацией тепла / И. И. Перелетов,
В. Н. Новосельцев, М. Ф. Шопшин и др. //
Тр. МЭИ. Энергетика высокотемпературной
теплотехнологии. – 1980. – Вып. 476. –
С. 26 – 32.
2. Mattocks G. R. Reforming natural gas with
recirculated waste-gas to improve the efficiency
of oxy/fuel fired furnaces / G. R. Mattocks
//Glass Technol. – 2002. – V. 43, No. 1. –
P. 1 – 5.
3. Thermo-chemical recuperation improves fur-
nace thermal efficiency /S. Sikirica, H. Kurek,
A. Kozlov, M. Khinkis //Heat Treat. Progr. –
2007. – V. 7, No. 5. – P. 28 – 31.
4. Пащенко Д. И. Термохимическая регене-
рация теплоты отходящих дымовых газов и
ее схемные решения / Д. И. Пащенко,
М. Н. Никитин // Пром. энерг. – 2012. –
№ 6. – С. 47 – 50.
5. Шрайбер О. А. Використання теплових
вторинних енергоресурсів методом термо-
хімічної регенерації. Розрахунок конверсії
палива / О. А. Шрайбер // Проблеми
загальної енергетики. – 2013. – № 2 (33). –
С. 39 – 42.
6. Арутюнов В. С. Окислительные
превращения метана / В. С. Арутюнов,
О. В. Крылов. – М.: Наука, 1998. – 361 с.
7. Шрайбер О. А. Використання теплових
вторинних енергоресурсів методом термо-
хімічної регенерації. Метод розрахунку
газотурбінної установки / О. А. Шрайбер //
Проблеми загальної енергетики. – 2013. –
№ 3 (34). – С. 47 – 51.
8. Равдель А. А. Краткий справочник физи-
ко-химических величин / А. А. Равдель,
А. М. Пономарева. – Л.: Химия, 1974. –
200 с.
Надійшла до редколегії 18.02.2014
Рецензент
Зав.відділу оптимізації розвитку
паливних баз ІЗЕ НАН України,
канд. техн. наук
О.В. Стогній
|
| id | systemreorg-article-515 |
| institution | System Research in Energy |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:16:26Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | systemreorg/fc/ccdbf9c358c8e8126dbf4d73fdcbbcfc.pdf |
| spelling | systemreorg-article-5152026-07-18T12:57:41Z Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation Використання теплоти відпрацьованих газів промислових печей методом термохімічної регенерації Yatsenko V.P. Shraiber O.A. A significant amount of natural gas is used for the realization of technological processes in various industrial furnaces. The temperature of exhaust gases of such furnaces can reach 1500 – 1800 K, which leads to significant heat losses and low fuel utilization factors (FUF). The most efficient way of substantial decreasing these losses is connected with the technology of thermochemical recuperation (TCR), based on fuel reforming with exhaust gases. In order to maximize the FUF of industrial furnaces, it is reasonable to apply combined recuperation, i.e. TCR and heating of the air that is fed for combustion.We consider two schemes of combined recuperation with parallel or successive position of the fuel reformer and air heater. A method for the thermodynamic calculation of these schemes has been proposed, and the corresponding software has been developed. We present also an example of numerical results, where it is shown that the «parallel» scheme enables one to reach a very high FUF ~ 99 %, whereas the «successive» one gives FUF ~ 95 %. For comparison sake, we calculate the schemes of «pure» TCR or air heating, which result in FUF = 80 – 90 %. Значна кількість природного газу використовується для реалізації технологічних процесів у різноманітних промислових печах. Температура відпрацьованих газів таких печей може досягати 1500–1800 К, що призводить до значних втрат теплоти та низьких коефіцієнтів використання палива (КВП). Найбільш ефективний шлях значного зменшення цих втрат пов’язаний із технологією термохімічної регенерації (ТХР), що ґрунтується на конверсії палива з відпрацьованими газами. Щоб досягти максимальних рівнів КВП промислових печей, доцільно застосовувати комбіновану регенерацію – ТХР та нагрівання повітря, що подається на спалювання.Розглядаються дві схеми комбінованої регенерації з паралельним або послідовним розташуванням термохімічного реактора та нагрівача повітря. Запропоновано метод термодинамічного розрахунку цих схем, і розроблено відповідні комп’ютерні програми. Представлено також приклад числових результатів. Зокрема, показано, що «паралельна» схема дозволяє досягти дуже високих КВП ~ 99%, у той час як «послідовна» дає КВП ~ 95%. Для порівняння розраховано схеми «чистих» ТХР або повітряної регенерації, що призводять до КВП = 80 – 90%. General Energy Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine 2014-03-19 Article Article application/pdf https://systemre.org/index.php/journal/article/view/515 System Research in Energy; No. 1 (36) (2014): The Problems of General Energy; 19-23 Системні дослідження в енергетиці; № 1 (36) (2014): Проблеми загальної енергетики; 19-23 2786-7102 2786-7633 uk https://systemre.org/index.php/journal/article/view/515/450 Copyright (c) 2014 Yatsenko V.P., Shraiber O.A. https://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0 |
| spellingShingle | Yatsenko V.P. Shraiber O.A. Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation |
| title | Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation |
| title_alt | Використання теплоти відпрацьованих газів промислових печей методом термохімічної регенерації |
| title_full | Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation |
| title_fullStr | Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation |
| title_full_unstemmed | Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation |
| title_short | Use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation |
| title_sort | use of the heat of the exhaust gases of industrial furnaces by the method of thermochemical recuperation |
| url | https://systemre.org/index.php/journal/article/view/515 |
| work_keys_str_mv | AT yatsenkovp useoftheheatoftheexhaustgasesofindustrialfurnacesbythemethodofthermochemicalrecuperation AT shraiberoa useoftheheatoftheexhaustgasesofindustrialfurnacesbythemethodofthermochemicalrecuperation AT yatsenkovp vikoristannâteplotivídpracʹovanihgazívpromislovihpečejmetodomtermohímíčnoíregeneracíí AT shraiberoa vikoristannâteplotivídpracʹovanihgazívpromislovihpečejmetodomtermohímíčnoíregeneracíí |