Study of heat recovery process inside a lining of a high-temperature plant using thermal decomposition of methane

Authors

  • Evgeny Neshporenko Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk
  • Sergey Kartavtcev Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk
  • Svetlana Ivanova Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk

Keywords:

energy balance, high-temperature process, methane thermal decomposition, cooling of lining, energy efficiency

Abstract

The paper has suggested the mathematical model of the heat recovery process inside the high-temperature plant`s lining using thermal decomposition of methane in conditions of high-temperature plants cooling. The examined model allows evaluation of regenerative heat use possibility to reduce heat losses through the enclosure of high-temperature plant by utilizing the heat of a liquid heat carrier which can increase high-temperature process productiveness. All high-temperature plants have a primary objective – ensure process continuity with minimal fuel flow rate using the energy of primary as well as secondary energy resources (SER). In pyrolysis conditions, methane is the most thermally stable because methane thermal decomposition happens at a temperature higher than 560°C. However, when methane reaches a significant speed of movement it decomposes at a temperature of about 900°C, and temperature 1400°C breaks up to carbon and oxygen. Natural gas, as an energy carrier, has many advantages and in comparison, with the other fuel types, it can be used to the full extent because it is easy to organize its complete combustion with minimal heat losses. It should be noted that natural gas has no ballast or harmful substances, it possesses high heat value and its combustion creates high temperatures.

Metrics

Metrics Loading ...

References

[APA]

1. Pereletov, I.I., et al. (1989). Vysokotemperaturnye teplotekhnicheskie processy i ustanovki [High-temperature heat engineering processes and installations]. A.D. Klyuchnikov (Ed.). Moscow: Energoatomizdat [In Russian].

2. Klyuchnikov, A.D. (1986). Energetika tekhnologii i voprosy energosberezheniya [Energy technology and energy conservation issues]. Moscow: Energoatomizdat [In Russian].

3. Chodzhoj, M.H. (1982). Energosberezhenie v promyshlennosti [Energy saving in Industries]. Moscow: Metallurgiya [In Russian].

4. Neshporenko, E.G., & Baskakova, A.A. (2018). Matematicheskaya model' teplovogo sostoyaniya plastiny s ravnomerno raspredelennymi produvaemymi otverstiyami [Mathematical model of the thermal state of a plate with uniformly distributed blowing holes]. Energetika teplotekhnologij, 4, 9-12 [In Russian].

5. YAchikov, I.M., Mironova, G.A., & Petin, S.N. (2007). Matematicheskoe modelirovanie teplovogo sostoyaniya rasplava v reaktore s kipyashchem sloem [Mathematical modeling of the thermal state of the melt in a fluidized bed reactor]. Prilozhenie matematiki v ekonomicheskih i tekhnicheskih issledovaniyah, № 1(1), 170-176 [In Russian].

6. Ryabov, V.D. (2004). Himiya nefti i gaza [Chemistry of oil and gas]. Moscow: Tekhnika [In Russian].

7. Petin, S.N., & Klyuchnikov A.D. (2007). Patent RU 71982 U1. Ustrojstvo piroliza syr'ya v zhidkom teplonositele [Device for pyrolysis of raw materials in a liquid heat carrier] [In Russian].

8. Kartavcev, S.V., Petin, S.N., Neshporenko, E.G., & Burmakina A.V. (2006). Patent RU 58120 U1. Apparat dlya piroliza uglevodorodnogo syr'ya v zhidkom teplonositele [Apparatus for pyrolysis of hydrocarbon raw materials in a liquid heat carrier] [In Russian].

9. Klyuchnikov A.D., & Petin, S.N. (2009). Patent RU 2352519 S1. Sposob piroliza uglevodorodnogo syr'ya [Hydrocarbon pyrolysis method] [In Russian].

10. Shipovskaya, Yu.I., & Petin, S.N. (2017). Perspektiva proizvodstva SPG na kotel'noj [Boiler house LNG production perspective]. Proc. of the 6th Youth Sc. Conf. “The Generation of the Future: A View of Young Scientists” (Vol. 4). (pp. 275-277). Kursk: Universitetskaya kniga [In Russian].

11. Isachenko, V.P., Osipova, V.A., & Sukomel, A.S. (1981). Teploperedacha [Heat transfer]. (4th ed.). Moscow: Energoizdat [In Russian].

12. Gol'dfarb, E.M. (1967). Teplotekhnika metallurgicheskih processov [Heat engineering of metallurgical processes]. Moscow: Metallurgiya [In Russian].

13. Vafina, D.E., Bikmuhametova, K.M., & Kartavcev, S.V. (2018). Vliyanie poter' teploty cherez ograzhdeniya v vysokotemperaturnyh teplotekhnologicheskih processah [Influence of heat losses through fences in high-temperature heat-technological processes]. Proc. of the Danilov readings. (pp. 99-102). Ekaterinburg: UrFU [In Russian].

14. Wesenberg, M.H.(2006). Gas Heated Steam Reformer Modelling: Ph. D. Thesis. Trondheim (Norwegian): TNNU.

15. Popov, S.K., & Svistunov, I.N. (2017). Energosberezhenie v toplivnyh pechah posredstvom konversii prirodnogo gaza [Energy Saving in Fuel Furnaces Through Natural Gas Conversion]. Vestnik MEI, 2, 45–54 [In Russian]. Available: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2017-2-45-54

16. Kartavcev, S.V., Ivanova, S.V., & Starkova E.S. (2019). Ocenka znacheniya teplovyh poter' v vysokotemperaturnyh processah. Proc. of the National Sc. School-Conf. “Modern achievements of university scientific schools”. (pp. 71-72). Magnitogorsk: Izd-vo Magnitogorsk. gos. tekhn. un-ta im. G.I. Nosova [In Russian].

17. Neshporenko, E.G., & Kartavcev, S.V. (2007). Voprosy energoresursosberezheniya pri izvlechenii zheleza iz rud [Energy saving issues when extracting iron from ores]. Magnitogorsk: Izd-vo Magnitogorsk. gos. tekhn. un-ta im. G.I. Nosova [In Russian].

18. Neshporenko, E.G., Kartavcev, S.V., & Sysuev, N.E. (2013). Obosnovanie effektivnosti regeneracii teploty cherez perforirovannye ograzhdeniya vysokotemperaturnyh ustanovok [Substantiation of the efficiency of heat recovery through perforated enclosures of high-temperature installations]. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im G.I. Nosova, 1(41), 86–89 [In Russian].

19. Neshporenko, E.G. (2010). Eksperimental'noe issledovanie garnissazhnogo rezhima regeneracii teploty cherez perforirovannoe ograzhdenie ustanovok [Experimental study of the scallop mode of heat recovery through the perforated enclosure of installations]. Vestnik Magnitogorskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. G.I. Nosova, 4(32), 81–84 [In Russian].

20. Neshporenko, E.G. (2008). Regeneraciya teplovyh poter' cherez perforirovannoe ograzhdenie vysokotemperaturnyh tekhnologicheskih ustanovok [Regeneration of heat losses through a perforated fence of high-temperature technological installations]. Vestnik Moskovskogo energeticheskogo instituta, 1, 74–78 [In Russian].

[ГОСТ Р 7.0.5–2008]

1. Высокотемпературные теплотехнические процессы и установки: Учеб. для вузов / И.И. Перелетов, Л.А. Бровкин, Ю.И. Розенгарт и др.; Под ред. А.Д. Ключникова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 336 с.

2. Ключников А.Д. Энергетика технологии и вопросы энергосбережения. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с.

3. Чоджой М.Х. Энергосбережение в промышленности / Пер. с анг. М.: Металлургия, 1982. 272 с.

4. Нешпоренко Е.Г., Баскакова А.А. Математическая модель теплового состояния пластины с равномерно распределенными продуваемыми отверстиями // Энергетика Теплотехнологий. 2018. № 4. С. 9-12.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37416648

5. Ячиков И.М., Миронова Г.А., Петин С.Н. Математическое моделирование теплового состояния расплава в реакторе с кипящем слоем // Приложение математики в экономических и технических исследованиях. 2007. № 1(1). С.170-176.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21357669

6. Рябов В.Д. Химия нефти и газа. М.: Техника, 2004. 288 с.

7. Пат. RU 71982 U1 МПК C10G 9/34. Устройство пиролиза сырья в жидком теплоносителе / С.Н. Петин, А.Д. Ключников; патентообл. ГОУВПО «МЭИ». № 2007141786/22, заявл. 14.11.2007, опубл. 27.03.2008.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38436541

8. Пат. RU 58120 U1 МПК C10G 9/34. Аппарат для пиролиза углеводородного сырья в жидком теплоносителе / С.В. Картавцев, С.Н. Петин, Е.Г. Нешпоренко, А.В. Бурмакина; патентообл. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г. И. Носова. № 2006114864/22; заявл. 02.05.2006, опубл. 10.11.2006.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=38427992

9. Пат. RU 2352519 С1 МПК С01В 3/02. Способ пиролиза углеводородного сырья / А.Д. Ключников, С.Н. Петин; патентообл. ГОУВПО «МЭИ». № 2007141785/04, заявл. 14.11.2007, опубл. 20.04.2009, Бюл. № 11.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=37547506

10. Шиповская Ю.И., Петин С.Н. Перспектива производства СПГ на котельной // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых – 2017: сб. науч. ста. 6-й Межд. мол. науч. конф. Том 4. Курск: Университетская книга, 2017. С. 275-277.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=31750369

11. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача: уч. для вузов / 4-е изд., перераб и доп. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

12. Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов. М.: Металлургия, 1967. 439 с.

13. Вафина Д.Э., Бикмухаметова К.М., Картавцев С.В. Влияние потерь теплоты через ограждения в высокотемпературных теплотехнологических процессах // Энерго - и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Атомная энергетика: мат. Даниловских чтений. Екатеринбург: УрФУ, 2018. С. 99-102.

14. Wesenberg M.H. Gas Heated Steam Reformer Modelling: Ph. D. Thesis. Trondheim (Norwegian): ТNNU, 2006. 210 с.

15. Попов С.К., Свистунов И.Н. Энергосбережение в топливных печах посредством конверсии природного газа // Вестник МЭИ. 2017. № 2. С. 45–54.
DOI: https://doi.org/10.24160/1993-6982-2017-2-45-54
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=28879326

16. Картавцев С.В., Иванова С.В., Старкова Е.С. Оценка значения тепловых потерь в высокотемпературных процессах // Современные достижения университетских научных школ: сб. докл. нац. науч. школы-конф. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2019. Вып. 4. C. 71–72.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=42325663

17. Нешпоренко Е.Г., Картавцев С.В. Вопросы энергоресурсосбережения при извлечении железа из руд: монография Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова. 2007. 153 с.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=19603958

18. Нешпоренко Е.Г., Картавцев С.В., Сысуев Н.Е. Обоснование эффективности регенерации теплоты через перфорированные ограждения высокотемпературных установок // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им Г.И. Носова. 2013. № 1 (41). С. 86–89.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=18882670

19. Нешпоренко Е.Г. Экспериментальное исследование гарниссажного режима регенерации теплоты через перфорированное ограждение установок // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2010. № 4 (32). С. 81–84.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=15521025

20. Нешпоренко Е.Г. Регенерация тепловых потерь через перфорированное ограждение высокотемпературных технологических установок // Вестник Московского энергетического института. 2008. № 1. С. 74–78.
eLIBRARY: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=10344468

Published

2020-11-25

How to Cite

Neshporenko Е., Kartavtcev С., & Ivanova С. (2020). Study of heat recovery process inside a lining of a high-temperature plant using thermal decomposition of methane. Energy Systems, 5(1), 209–218. Retrieved from https://j-es.ru/index.php/journal/article/view/2020-1-024