Эксергетический анализ энергоблока тригенерации с улавливанием диоксида углерода из дымовых газов | Статья в сборнике международной научной конференции

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 17 августа, печатный экземпляр отправим 21 августа.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: 13. Химическая технология и промышленность

Опубликовано в

IV международная научная конференция «Технические науки: традиции и инновации» (Санкт-Петербург, январь 2020)

Дата публикации: 25.12.2019

Статья просмотрена: < 10 раз

Библиографическое описание:

Налетов В. А. Эксергетический анализ энергоблока тригенерации с улавливанием диоксида углерода из дымовых газов [Текст] // Технические науки: традиции и инновации: материалы IV Междунар. науч. конф. (г. Санкт-Петербург, январь 2020 г.). — СПб.: Свое издательство, 2020. — С. 8-11. — URL https://moluch.ru/conf/tech/archive/356/15542/ (дата обращения: 29.01.2020).



В докладе Международного энергетического агентства представлено несколько альтернативных сценариев развития мировой экономики на период до 2050 года [1], в том числе инновационный сценарий Ускоренного развития технологий (Accelerated Technology scenarios, АСТ). В рамках этого сценария в качестве наиболее важных отмечены следующие актуальные направления:

– энергоэффективность и энергосбережение (в том числе, когенерация);

– улавливание и захоронение СО2 (Carbon Capture and Storage, CCS), в том числе для повышения нефтеотдачи на месторождениях.

Самыми масштабными источниками диоксида углерода являются дымовые газы, образующиеся при сжигании различных видов ископаемого топлива. При этом дымовые газы, выбрасываемые в окружающую среду, имеют остаточный тепловой потенциал, который суммируется с общим трендом повышения температуры в результате выбросов диоксида углерода.

Наибольшего эффекта в решении комплекса современных проблем возможно достичь в многоцелевых установках ко-три и полигенерации. Однако такие системы являются сложными, требующими системных подходов к их созданию (проектированию) с целью достижения синергетических свойств или эмерджентности в их организации. В работе дается сравнительный эксергетический анализ технологической системы, объединяющей последовательно объединенные подсистемы глубокой утилизации теплоты дымовых газов с подсистемой улавливания диоксида углерода с интегрированным на основе системного информационного подхода вариантом энергоблока тригенерации по производству электроэнергии, холода и диоксида углерода. Данный подход является, по мнению Людвига фон Берталанфи [2], одним из перспективных направлений общей теории систем. Основной идеей его общей теории систем является то, что исследование отдельных процессов не дает представления о свойствах системы как единого целого и не приводит к появлению у нее свойств эмерджентности.

Целью работы является доказательство возможности достижения в интегрированной системе энергоблока тригенерации синергетических свойств на основе относительных эксергетических характеристик — эксергетических КПД. Эксергетический подход является корректным инструментом термодинамического анализа в оценке эффективности технических решений [3]. На рис. 1 представлен энергоблок тригенерации, разработанный на основе оптимальной интеграции цикла Ренкина (подсистема 1) и холодильного цикла среднего давления с отдачей внешней работы (подсистема 2) [4].

Рис. 1. Технологическая схема энергоблока тригенерации для улавливания и выделения диоксида углерода из очищенных дымовых газов (потоки, обозначенные кружочками, объединены). Обозначения: 1 — испаритель; 2 — пароперегреватель; 3 — паровая турбина; 4 — конденсатор; 5 — насос; 6 — парциальный конденсатор (удаление воды); 7 — промежуточный теплообменник; 8 — трехступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением; 9 — десублиматор; 10 — газовая турбина

Разработанное техническое решение (схема) позволяет совместить решение комплекса технологических задач, таких как:

– глубокая утилизация остаточной теплоты очищенных дымовых газов;

– тригенерация — совместная выработка трех полезных продуктов;

– глубокое улавливание диоксида углерода из дымовых газов;

– полное предотвращение теплового загрязнения окружающей среды.

Для выявления возможного синергетического эффекта в интегрированной системе эксергетический анализ проводится для двух вариантов систем в расчете на мощность основного энергоблока, равной 40 МВт. Методика расчета составляющих эксергии потоков приведена в [3].

Вариант 1 — оценка эксергетического КПД технологической системы, состоящей из последовательно объединенных подсистем: цикла Ренкина и холодильного цикла;

Вариант 2 — оценка эксергетического КПД разработанного способа тригенерации (интегрированный вариант системы).

Для корректной оценки при сравнении обоих вариантов комбинирования в качестве низкокипящего рабочего тела (НРТ) в цикле Ренкина используется метан, а в качестве хладагента — жидкий азот.

Из термодинамики известно, что эксергетический КПД системы, состоящий из последовательно объединенных подсистем, оценивается следующим образом:

,(1)

где — эксергетические КПД подсистем цикла Ренкина и холодильного цикла соответственно.

Представим эксергетический КПД для каждой подсистемы.

Подсистема цикла Ренкина представляет собой модифицированный вариант структуры цикла с регенератором, которая функционирует за счет внешнего источника остаточной теплоты дымовых газов и внешнего источника холода.

Эксергия на входе в цикл Ренкина складывается из эксергии потока дымовых газов , эксергии электропривода насоса по перекачке НРТ — Ен и входной эксергии хладагента в конденсатор НРТ.

Эксергия на выходе из цикла Ренкина складывается из эксергии потока дымовых газов на выходе из цикла, эксергии механической работы турбины Ет и эксергии хладагента на выходе из конденсатора .

Расчет эксергетического КПД цикла Ренкина проводится на основании зависимости:

,(2)

Как показали расчеты, эксергетический КПД подсистемы 1 составляет 70,63 %.

Холодильный цикл среднего давления с отдачей внешней работы по структуре аналогичен циклу Гейландта и представляет собой подсистему, в которой происходит выделение диоксида углерода из потока дымовых газов в твердом виде (десублимация) за счет внешнего источника холода — потока метана, подведенного к подсистеме извне.

Эксергия на входе в холодильный цикл складывается из эксергии потока дымовых газов на входе в цикл , эксергии метана на входе в десублиматор и эксергии Eк электрического привода многоступенчатого компрессора.

Эксергия на выходе из холодильного цикла складывается из эксергии потока дымовых газов на выходе из цикла , эксергии потока метана на выходе из цикла , эксергии механической работы турбины Eт, эксергии водяного конденсата , и эксергии твердого диоксида углерода (продукта) .

Эксергетический КПД холодильного цикла по данным расчетов составляет 50,31 %.

Таким образом, общий эксергетический КПД системы, состоящей из последовательно объединенных подсистем цикла Ренкина и холодильного цикла, будет равен: 70,63 ∙ 50,31 = 35,53 %.

В интегрированном энергоблоке тригенерации эксергия на входе в энергоблок складывается из эксергии потока дымовых газов, поступающих в цикл Ренкина и эксергии потока хладагента (жидкого азота под давлением), поступающего в конденсатор цикла Ренкина .

Эксергия на выходе из интегрированной ХТС складывается из эксергии потока дымовых газов на выходе из холодильного цикла , эксергии потока хладагента на выходе из конденсатора цикла Ренкина , эксергии получаемой механической работы, определяемой из баланса затрат мощности (суммарная мощность двух турбин за вычетом мощности на сжатие в компрессоре и мощности насоса), эксергии водяного конденсата , и эксергии твердого диоксида углерода (продукта) .

Расчеты показывают, что эксергетический КПД интегрированной системы составляет 73,56 %.

В результате сравнения удельных показателей эффективности вариантов можно сделать вывод, что эксергетический КПД для системы с последовательно объединенными подсистемами меньше наименьшего значения эксергетического КПД подсистемы, а для интегрированной ХТС эксергетический КПД больше наибольшего значения эксергетического КПД подсистемы, что указывает на синергетический эффект, достигаемый в рассмотренном способе получения товарного диоксида углерода в энергоблоке тригенерации. Данный вывод подтверждает обоснованность идеи Л. фон Берталанфи об изоморфизме законов живой материи и их применимости для оптимальной организации сложных технологических систем.

Литература:

1. Energy technology perspectives. In support of the G8 plan of action. Scenarios and strategies to 2050/ OECD/International Energy agency. Paris: IEA Publications. 2006. 484 p.

2. Берталанфи Л. фон. Общая теория систем: критический обзор. Исследования по общей теории систем. М.: Прогресс, 1969. С. 23−82

3. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия / под ред. В. М. Бродянского. М.: Энергия. 1968. 288 с.

4. Налетов В. А., Глебов М. Б., Налетов А. Ю. Получение электроэнергии, холода и диоксида углерода из дымовых газов: Патент RU2482406C1, МПК F25B11/00, F25J3/00, F01K25/00 от 20.05. 2013.

Основные термины (генерируются автоматически): холодильный цикл, эксергия потока дымовых газов, эксергия, цикл, углерод, подсистема, КПД подсистемы, КПД, выход, внешняя работа.

Похожие статьи

Энергетический и эксергетический анализ эффективности...

Для проведения эксергетического анализа определили эксергетический КПД. Тогда принимаем, что эксергия топлива , ккал/кг, с достаточной точностью для приближенных практических расчетов может быть принята равной теплоте сгорания топлива

Оценка эффективности основных элементов оборудования...

В статье выполнена оценка эффективности основного оборудования паросиловой электростанции эксергетическим методом, использующим

Традиционный метод оценки эффективности элементов теплосиловой установки основан на вычислениях термического КПД.

Потоки энергии и эксергии | Статья в журнале «Молодой ученый»

Эксергия системы — это максимальная работа, которую может совершить система при переходе в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергетический анализ работы теплоэнергетических и технологических установок учитывает не только количественные, но и...

Термодинамическое исследование работы холодильной...

где Eq — эксергия отведенного. тепла; E0 — эксергия произведенного холода; Eэ

Рис. 4. Зависимость эксергитического КПД установки с накатанным теплообменными аппаратами от

В системе оборудования совершается цикл работы и тем самым смазываются необходимые...

Метод эксергетического анализа теплообменника с накатанными...

Изложены теоретические положения, касающиеся понятий эксергии и их определения для термодинамических систем, а также определения эксергии теплоты, проводимой или отводимой от рабочего тела.

Анализ оценки современных методов очистки выбросов от...

Эксергетический КПД. Эксергия, т.е. мера превратимости энергии ресурсов системы, дает возможность использовать ее как меру

Относительную токсичную массу выбросов определяют с учетом объема отходящих газов: Общий баланс относительной токсичной массы...

Способ снижения оксидов азота с рециркуляцией дымовых газов

Разделением газов рециркуляции на два потока можно сократить их общий объем, поскольку ввод части газов рециркуляции в ядро горения факела позволяет более эффективно снизить его температуру, обеспечить при этом пониженный выход оксидов азота и одновременно решить...

Установка экстракции углей диоксидом углерода. На примере...

Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования экстракции углей диоксидом углерода, в широких интервалах давлений (до 15 МПа) и температур (до 350 К). An experimental installation is created that enables to study of coal extraction by carbon dioxide...

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе...

Для повышения КПД энергоустановок (ЭУ) на базе ГТД разрабатываются и создаются

В анодной полости ТОТЭ на трехфазной границе твердый электролит-электрод-газ

Эксергия — это максимальная располагаемая работа, которую могло бы совершить рабочее тело.

Похожие статьи

Энергетический и эксергетический анализ эффективности...

Для проведения эксергетического анализа определили эксергетический КПД. Тогда принимаем, что эксергия топлива , ккал/кг, с достаточной точностью для приближенных практических расчетов может быть принята равной теплоте сгорания топлива

Оценка эффективности основных элементов оборудования...

В статье выполнена оценка эффективности основного оборудования паросиловой электростанции эксергетическим методом, использующим

Традиционный метод оценки эффективности элементов теплосиловой установки основан на вычислениях термического КПД.

Потоки энергии и эксергии | Статья в журнале «Молодой ученый»

Эксергия системы — это максимальная работа, которую может совершить система при переходе в состояние равновесия с окружающей средой. Эксергетический анализ работы теплоэнергетических и технологических установок учитывает не только количественные, но и...

Термодинамическое исследование работы холодильной...

где Eq — эксергия отведенного. тепла; E0 — эксергия произведенного холода; Eэ

Рис. 4. Зависимость эксергитического КПД установки с накатанным теплообменными аппаратами от

В системе оборудования совершается цикл работы и тем самым смазываются необходимые...

Метод эксергетического анализа теплообменника с накатанными...

Изложены теоретические положения, касающиеся понятий эксергии и их определения для термодинамических систем, а также определения эксергии теплоты, проводимой или отводимой от рабочего тела.

Анализ оценки современных методов очистки выбросов от...

Эксергетический КПД. Эксергия, т.е. мера превратимости энергии ресурсов системы, дает возможность использовать ее как меру

Относительную токсичную массу выбросов определяют с учетом объема отходящих газов: Общий баланс относительной токсичной массы...

Способ снижения оксидов азота с рециркуляцией дымовых газов

Разделением газов рециркуляции на два потока можно сократить их общий объем, поскольку ввод части газов рециркуляции в ядро горения факела позволяет более эффективно снизить его температуру, обеспечить при этом пониженный выход оксидов азота и одновременно решить...

Установка экстракции углей диоксидом углерода. На примере...

Создана экспериментальная установка, позволяющая проводить исследования экстракции углей диоксидом углерода, в широких интервалах давлений (до 15 МПа) и температур (до 350 К). An experimental installation is created that enables to study of coal extraction by carbon dioxide...

Расчет работы твердрооксидных топливных элементов в составе...

Для повышения КПД энергоустановок (ЭУ) на базе ГТД разрабатываются и создаются

В анодной полости ТОТЭ на трехфазной границе твердый электролит-электрод-газ

Эксергия — это максимальная располагаемая работа, которую могло бы совершить рабочее тело.