Технология использования сжатых газов (стр. 3 )

1.2 Практическое использование газов

Значение газов в народном хозяйстве трудно переоценить. Сегодня уже трудно представить жизнь человека без использования различных газов, даже на бытовом уровне. Большинство населения использует природный газ для приготовления пищи, нагрева воды, отопления помещений и т. п. Газы используются в медицине в лечебных и профилактических целях: кислород (кислородные подушки, коктейли и др.), углекислый газ (лечебные ванны), сжиженный азот – для криохирургии и т. п. Но особо впечатляют масштабы применения газов в промышленности, где их применение разнообразно:

- в качестве энергетического топлива (природный газ, попутный нефтяной газ, газ, получаемый при газификации твердых топлив, коксовый газ, газ, получаемый при сжигании бытовых отходов);

- в качестве сырьевого компонента для получения химических продуктов (пластмасс, удобрений, синтетических волокон, химических веществ и газов);

- в качестве энергоносителей (сжатый воздух, перегретый пар, иногда инертные газы);

- в качестве рабочих тел энергетических машин (ПГ, ГТ, ПГТ, реактивные двигатели) и для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, снаряды);

- теплоносители (например, фреоны в холодильных установках, диссоциирующие газы в теплоэнергетических установках);

- физические среды для газовых разрядов (лазеры);

- в качестве расходных материалов для выполнения технологических процессов (кислород-ацетилен для газорезки металлов, нейтральные газы для сварки – аргонодуговая сварка, кислородное дутье в плавильных печах).

Газы и газовые смеси применяются для систем жизнеобеспечения подводных и космических аппаратов.

В сельскохозяйственном производстве все большее распространение получает применение азота в овоще - и фруктохранилищах, использование биогазов, выделяющихся при переработке навозных масс.

В различных отраслях техники используется более 30 различных газов и газовых смесей.

Газ как топливо – обычно природные газы и получаемые искусственно специально (генераторный газ) или как побочный продукт (коксовый, доменный и др.). Основные потребители: черная металлургия (домны, мартены), производство стройматериалов (цемент, стекло, керамика, керамзит), в машиностроении (нагреватели, термические печи, газосварка и резка). В качестве топлива для ТЭС – удельный вес природного газа составляет около 30%. Перевод котлов на газ повышает их к. п.д. на 20%, удешевляет обслуживание и автоматизацию, снижает расход электроэнергии на собственные нужды на
7-20%. Топливо в быту (плитки, АГВ, котлы, конвекторы).

Газ как исходное сырье – в химической промышленности вырабатываются из газов около 200 видов продукции, в том числе огромное количество пластмасс, удобрений и т. п.

Газ в качестве энергоносителя – сжатый воздух КС (стационарные и передвижные, переносные), пар водяной – для паровых молотов, прессов и др.

Рабочие тела для совершения работы – это газовые смеси – продукты сгорания топлив в воздухе или других окислителях в ГТ, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Водяной пар – в ПТ. Комбинированные установки ПГТУ – совместное использование водяного пара и газа.

Теплоносители – очень часто в различных технологических процессах химической, металлургической промышленности используется горячий воздух для нагрева продуктов, в сушилках, в отоплении и кондиционировании. Используются также горячие продукты горения (дымовые газы) для обогрева изделий и материалов в печах и сушилках, для подогрева промежуточных теплоносителей (пар, воздух, вода). Для обогрева помещений используют паровое отопления.

Электрический разряд в газовых средах применяется широко в электротехнике для выпрямления переменного тока, в газосветных осветителях (лампах) и неоновых рекламах. Отдельный класс устройств – газовые лазеры (медицинские, технологические и военные).

Материалы для промышленности – газовая сварка (ацетилен-кислород), химико-термическая (азотирование, хромирование сталей) и тепловая обработка в печах (цементация – насыщение углеродом). Инертные газы – для безопасности производства и испытаний машин и аппаратов, специальная сварка – аргон.

В сельском хозяйстве – добавки СО в теплицы, этилена, азота – в хранилища овощей. Установки энергетические, биогазовые.

К сожалению, производственная деятельность человечества, особенно в последнее столетие, обуславливается не только производством и потреблением различных газов, но и

выбросами недоиспользованных газов, которые как-то предотвратить не представляется возможным вследствие сложности и дороговизны технологических процессов. А они, эти выбросы, представляют большую угрозу для человечества ввиду не только локальных, но и глобальных негативных процессов и изменений в среде обитания и в атмосфере. Главным и грозным проявлением этого есть так называемый парниковый эффект атмосферы.

Микромодель этого явления – обычный парник, защищенный прозрачным стеклом или пленкой участок грунта для выращивания рассады различных культур. Происходит солнечный обогрев грунта, тепло удерживается стеклом или пленкой. Возможен также искусственный обогрев – биотопливом, водяной, электрический.

Парниковый эффект атмосферы – это свойство атмосферы Земли регулировать лучевой тепловой обмен Земли с космосом. Атмосфера Земли пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которую поглощает поверхность Земли (рис 1.1). Поверхность нагревается и в свою очередь излучает длинное волновое излучение, которое в значительной мере поглощается атмосферой (водяной пар + СО2 ), а 10-20% - излучается в космос. Благодаря такому механизму средняя температура земной поверхности остаётся постоянной(+15оС) . Если бы не было атмосферы, она была бы равна -23оС.

Рисунок 1.1 –Схема лучевого теплообмена Земли

В результате техногенной деятельности человечества концентрация парниковых газов, особенно СО2, в атмосфере увеличилась, что приводит к дополнительному подогреву атмосферы Земли. Сегодня эта величина (2-3оС) уже составляет значительную угрозу для экосистемы Земли. Главным образом это проявляется в таянии ледников, наступлении пустынь, изменении привычных условий обитания живых организмов.

Основные парниковые газы в порядке их воздействия на тепловой баланс Земли располагаются следующим образом:

·  водяной пар;

·  углекислый газ;

·  метан;

·  озон;

·  галоуглероды;

·  оксиды азота.

Наиболее вредное воздействие на атмосферу оказывают углекислый газ и метан.

Источники поступления СО2 в атмосферу:

– производство энергии (тепла, горячей воды, пара) – 43,6%;

– производственные предприятия – 18,5%;

– автотранспорт – 7,7%;

– другой транспорт – 6,3%;

– жизнеобеспечение – 8%;

– коммерческие услуги – 5,8%.

Источники поступления метана:

- утечки при разработке и эксплуатации месторождений природного газа, нефти и угля - 16%;

- биогаз от захоронения отходов – 12%;

- скот – 16%;

- рисовые поля – 22%;

- болота – 23% и др.

Количественной характеристикой выбросов парниковых газов является удельный выброс газов:

выброс в СО2-эквиваленте, кг .

на 1 дол. ВВП

Данные по выбросам некоторых стран в 1 кг экв. СО2/долл:

·  Япония – 0,39;

·  ЕС – 0,42;

·  США – 0,67;

·  Россия – 1,58;

·  Украина – 2,04.

Как видно, удельные выбросы парниковых газов в Украине в 3-5 раз выше передовых стран. Это обусловлено тем, что в Украине (также как и в других постсоветских странах) в течение нескольких десятилетий не проводилось масштабное техническое перевооружение производств, не внедрялись новейшие технологии, альтернативные источники энергии и т. п.

Мировое сообщество, озабоченное стремительным нарастанием парникового эффекта, предложило ограничить вредные выбросы газов на основании Киотского протокола.

Механизм действия Киотского протокола состоит в том, что каждой стране-подписанту устанавливается квота на вредные выбросы. За превышение квоты – штраф, за уменьшение выбросов - материальные льготы. Например, страны (или промышленные компании), не использующие в полной мере установленную квоту, могут продавать “избыток” другим странам, где квота превышена, используя полученные средства на модернизацию производств.

Гибкая процедура квотирования предусматривает постепенное снижение вредных выбросов до безопасного уровня.

1.3 Основы технологий использования газов

1.3.1 Суть технологий использования сжатых газов

Технология в общем понимании – это наука, изучающая способы и процессы переработки продуктов природы (сырья) в предметы потребления и средства производства.

Если газы являются сырьем для переработки их в продукцию или они сами являются продуктами переработки какого-либо сырья, то говорят о технологических процессах переработки или получения газов. С другой стороны, газы как продукт используются различными потребителями для различных целей. В этом случае говорят о технологиях использования газов.

Понятие «технология использования сжатых газов» не следует понимать буквально, т. к. это неизбежно приведет к узости понимания изучаемого предмета. Непосредственное использование (синоним – полезное применение) сжатых газов для производства полезного продукта ограничивается лишь узким кругом применений, среди которых:

- применение сжатых газов (воздуха) как энергоносителя и рабочего тела для совершения механической работы: пневмопривод, пневмоинструмент, пневмоавтоматика;

- применение сжатых газов (прежде всего воздуха) в различных технических устройствах: автошины, пневмотормоза, пневмоподъемники, балластные цистерны подводных аппаратов, понтоны и др.

Однако в гораздо большей степени сжатые газы применяются в разнообразных технологических процессах различных производств, где использование сжатых газов является необходимой и неотъемлемой частью общего процесса, направленного на получение конечной полезной продукции. При этом компримируемые (т. е. сжатые и перемещаемые) газы являются основным материальным потоком вещества, которое затем претерпевает ряд превращений по пути к конечному продукту. Эти превращения происходят под воздействием специально организуемых различных факторов (параметров процессов, реагентов, катализаторов и т. п.).