Какой объем воздуха потребуется чтобы сжечь 50 м3 газа: Какой объём воздуха потребуется, чтобы сжечь 50 м3 газа

какой объем воздуха потребуется,чтобы сжечь 50 м газа,содержащего 90 % метана,5% этана,3%

Верны ли следующие суждения? 1. Катализатор — это вещество, которое увеличивает скорость химической реакции, но само в ней не участвует. 2. Ингибитор … уменьшает энергию активации прямой реакции. А) верно только 1 B) верно только 2 C) верны оба суждения D) оба суждения неверны

Как из 2-метилбутадиена получить 2-метилбутан Напишите просто реакцию!!!

как можно определить количество неспаренных электронов, общих электронных парКороток и ясно)​

Классифицируйте реакции на обратимые и необратимые: a) NaOH + HCl → NaCl + h3O b) 2NaNO3 → 2NaNO2 + O2 c) N2 + 3h3 → 2Nh4 d) AgNO3 + KCl → AgCl + … KNO3 обратимые: [1] необратимые: [1] По какому признаку разделили обратимые и необратимые реакции?

1. Дан раствор гидроксида кальция, а также набор следующих реактивов: железо; растворы карбоната натрия, хлорида меди(II), сульфата натрия и гидроксид … а аммония. Запишите 2 молекулярных уравнения реакции, характеризующих химические свойства гидроксида кальция. Для каждого также составьте полное и сокращённое ионные уравнения. 2. Укажите, с какими из перечисленных веществ реагирует фосфорная кислота: хлорид алюминия, гидроксид бария, медь, угольная кислота, цинк, сульфат калия, оксид алюминия, оксид серы(VI), иодид натрия, оксид фосфора(III). Запишите молекулярные, полные и сокращённые ионные уравнения.

Поучить кислоту из нитрила бензойной кислоты (C6H5CN)СРОЧНО! ДАЮ 100 БАЛЛОВ!!! ​

(30б)Помогите пожалуйста это срочно: К 2-3мл дистиллированной воды добавьте по каплям 0,5-1мл насыщенного раствора серы. Получается опалесцирующий кол … лоидный раствор серы. Какую окраску имеет гидрозоль?

25 балов даю виберіть формули речовин що є неелектролітами C2H5OHNA2SO4LIOHHNO3HCISO3O2h3O.дистильована ​

СРОЧНО ДАЮ 60 БАЛЛОВ! 1 и 2 заданию — дать название3 — нарисавоть 4 — нарисовать 2 гомолога и 2 изомера​

процес розпаду речовини на йони під час розчинення у воді ​

Помощь студентам в учёбе от Людмилы Фирмаль

Здравствуйте!

Я, Людмила Анатольевна Фирмаль, бывший преподаватель математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института со стажем работы более 17 лет. На данный момент занимаюсь онлайн обучением и помощью по любыми предметам. У меня своя команда грамотных, сильных бывших преподавателей ВУЗов. Мы справимся с любой поставленной перед нами работой технического и гуманитарного плана. И не важно: она по объёму на две формулы или огромная сложно структурированная на 125 страниц! Нам по силам всё, поэтому не стесняйтесь, присылайте.

Срок выполнения разный: возможно онлайн (сразу пишите и сразу помогаю), а если у Вас что-то сложное – то от двух до пяти дней.

Для качественного оформления работы обязательно нужны методические указания и, желательно, лекции. Также я провожу онлайн-занятия и занятия в аудитории для студентов, чтобы дать им более качественные знания.

---

Моё видео:

---

Как вы работаете?

Вам нужно написать сообщение в WhatsApp . После этого я оценю Ваш заказ и укажу срок выполнения. Если условия Вас устроят, Вы оплатите, и преподаватель, который ответственен за заказ, начнёт выполнение и в согласованный срок или, возможно, раньше срока Вы получите файл заказа в личные сообщения.

Сколько может стоить заказ?

Стоимость заказа зависит от задания и требований Вашего учебного заведения. На цену влияют: сложность, количество заданий и срок выполнения. Поэтому для оценки стоимости заказа максимально качественно сфотографируйте или пришлите файл задания, при необходимости загружайте поясняющие фотографии лекций, файлы методичек, указывайте свой вариант.

Какой срок выполнения заказа?

Минимальный срок выполнения заказа составляет 2-4 дня, но помните, срочные задания оцениваются дороже.

Как оплатить заказ?

Сначала пришлите задание, я оценю, после вышлю Вам форму оплаты, в которой можно оплатить с баланса мобильного телефона, картой Visa и MasterCard, apple pay, google pay.

Какие гарантии и вы исправляете ошибки?

В течение 1 года с момента получения Вами заказа действует гарантия. В течении 1 года я и моя команда исправим любые ошибки в заказе.

---

Качественно сфотографируйте задание, или если у вас файлы, то прикрепите методички, лекции, примеры решения, и в сообщении напишите дополнительные пояснения, для того, чтобы я сразу поняла, что требуется и не уточняла у вас. Присланное качественное задание моментально изучается и оценивается.

Теперь напишите мне в Whatsapp или почту и прикрепите задания, методички и лекции с примерами решения, и укажите сроки выполнения. Я и моя команда изучим внимательно задание и сообщим цену.

Если цена Вас устроит, то я вышлю Вам форму оплаты, в которой можно оплатить с баланса мобильного телефона, картой Visa и MasterCard, apple pay, google pay.

Мы приступим к выполнению, соблюдая указанные сроки и требования. 80% заказов сдаются раньше срока.

После выполнения отправлю Вам заказ в чат, если у Вас будут вопросы по заказу – подробно объясню. Гарантия 1 год. В течении 1 года я и моя команда исправим любые ошибки в заказе.

---

Можете смело обращаться к нам, мы вас не подведем. Ошибки бывают у всех, мы готовы дорабатывать бесплатно и в сжатые сроки, а если у вас появятся вопросы, готовы на них ответить.

В заключение хочу сказать: если Вы выберете меня для помощи на учебно-образовательном пути, у вас останутся только приятные впечатления от работы и от полученного результата!

Жду ваших заказов!

С уважением

Пользовательское соглашение

Политика конфиденциальности

VII . Расчёты по химическим уравнениям реакций

v Вычисление объёма газа необходимого для реакции с определённым объёмом другого газа

Задача 1. Сколько образуется кубических метров оксида углерода (IV) при сжигании: а) 5 м³ этана. б) 5 кг этана (н.у.)?

Решение:

 2моль            4моль

2С₂Н₆    + 7О₂ → 4СО₂ + 6Н₂О

2 объёма        4 объёма

а)V(СО₂)=2∙V(С₂Н₆)=10м³;

б)ν (С₂Н₆)=m/М=5000/30=166,7 моль,

ν (СО₂)=2∙ ν(С₂Н₆)=2∙166,7=333,4 моль,

V(CO₂)=ν∙Vm=333,4∙22,4=7468л.=7,47м³

Ответ: а)10м³; б)7,47м³

 

! Решите задачи

1. Какой объём кислорода и воздуха потребуется для сжигания 67.2 м³ бутана.

2. Вычислите, сколько хлора в литрах и в граммах потребуется, чтобы получить 202 г. хлорметана.

3. Сколько воздуха потребуется для сжигания 1м³ бутина-1?

4. Какой объём воздуха расходуется при полном сгорании 1 кг гексана? Объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21%.

5. Природный газ одного из месторождений, содержит 85% метана, 6% этана, 3% оксида углерода (II), 4,5% оксида углерода (IV), 1,5 % азота и инертных газов (по объёму). Какой объём воздуха потребуется для сжигания 1 м³ этого газа? Объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21%.

6. Для сжигания 30 л метана израсходовали 200 л воздуха, обогащённого кислородом. Рассчитайте объёмную долю кислорода в этом воздухе?

7. Рассчитайте объём (н.у.) воздуха, который потребуется для сжигания смеси метана объёмом 6 л с циклобутаном объёмом 8 л. Объёмная доля кислорода в воздухе составляет 21%.

8. Природный газ одного из месторождений содержит 92% метана, 4% этана, 1% пропана, 2% углекислого газа и 1% азота (по объёму). Какой объём кислорода потребуется для сжигания 200 л этого газа?

9.  Какой объем воздуха потребуется, чтобы сжечь 50 м³ газа, содержащего 90% метана, 5% этана, 3% оксида углерода (IV) и 2% азота?

 

v Задачи с применением показателя массовой доли выхода продукта

   

Задача 1. Сколько по объёму ацетилена (н.у.) можно получить при взаимодействии 51,2 кг (51000,2г.) карбида кальция с водой, если выход ацетилена составляет в массовых долях 0,84, или 84%:, по сравнению с теоретическим?

Решение:

   51000,2г                                     Х_теор

CaC₂ + 2 HOH → Ca(OH)₂ + C₂H₂

64г/моль                                22,4 л/моль

1) М(CaC₂)=40+12∙2=64 г/моль

V(C₂H₂)=22,4 л/моль

2) Составим пропорцию.

51000,2г———-Х_теор

64г/моль———-22,4л/моль

Х_теор=51000,2г ∙ 22,4л/моль : 64 г/моль=17850,1л

3) 17850,1л——100%

Х_практ———84%

 

Х_практ=14994,1л

Ответ: 14994,1л ацетилена

 

! Решите задачи

1. Какая масса сажи (С) образуется при термическом разложении этана массой 90 г? Массовая доля выхода сажи составляет 80%.

Ответ: 57,6г

2. При нитровании 4,48 л этана (н.у.) азотной кислотой получили 12 г нитроэтана С₂Н₅NO_3.  Вычислите массовую долю выхода продукта.

Ответ: 0,8 (80%)

3. При нитровании гексана азотной кислотой при нагревании образуются С₆Н₁₃NO₃ и вода. Составьте уравнение реакции и рассчитайте, какую массу нитрогексана можно получить при нитровании гексана массой 43 г, приняв, что массовая доля выхода составляет 80 %.

Ответ: 52,4 г

4. При взаимодействии циклопропана с бромом образуется 1,3-дибромпропан. Составьте уравнение этой реакции и рассчитайте, какую массу 1,3-дибром пропана можно получить при бромировании 84 г циклопропана, приняв, что массовая доля выхода составляет 85%.

Ответ: 343,4 г

5. В присутствии катализаторов (платины, палладия) водород присоединяется к циклопропану с образованием пропана. Составьте уравнение этой реакции и рассчитайте, какой объём (н.у.) пропана можно получить из 21 г циклопропана, приняв, что объёмная доля выхода пропана составляет 95%.

Ответ: 10,64 л

6. Из 13,44 л ацетилена получили 12 г бензола (н.у.). Сколько это составляет процентов по сравнению с теоретическим выходом?

Ответ: 0,7692 (76,92%)

7. Сколько по объёму ацетилена и водорода (н.у.) можно получить из 1042 м³ природного газа, который содержит в объёмных долях 0,96, или 96% (по объёму), метана?

Ответ: 500,16 м³ С₂Н₂ и 1500,48 м³ Н₂

8. Сколько тонн 2метил-1,3-бутадиена можно получить из 180т 2-метилбутана, если выход продукта составляет в массовых долях 0,89, или 89%, по сравнению с теоретическим ?

Ответ: 151,3 т

9. Сколько по объёму 1,3-бутадиена можно получить из 800 л раствора, содержащего в массовых долях 0,96, или 96%, этилового спирта (ρ=0,8г/см³)?

Ответ: 149,59 м³

 

GTL-технологии по переводу газа в жидкое состояние — Нефтехимия и газохимия

GTL-технологии по переводу газа в жидкое состояние (gas to liquids technologies) интересуют все большее число компаний. 

ИА Neftegaz.RU. GTL-технологии по переводу газа в жидкое состояние (gas to liquids technologies) интересуют все большее число компаний.

Рост цен на углеводороды вынуждают проводить исследования по повышению эффективности их использования.

Почему появился интерес к GTL- технологиям

1. Отдаленность месторождений газа.

По оценкам специалистов, до 60% разведанных запасов газа расположены на большом расстоянии от конечного потребителя.

Прокладка газопроводов к ним зачастую экономически необоснованна, несмотря на то, что издержки их строительства неуклонно снижаются.

Если бы этот газ можно было с низкими затратами преобразовывать в жидкость, его транспортировка до потребителя приобрела бы большую привлекательность.

Помимо этого, в ряде других случаев, это поможет решить и экологические вопросы, так как отпадет необходимость сжигать попутный нефтяной газ.

Это актуально для России в связи с госрегулированием величины сжигания ПНГ.

2. Рост цены на нефть. В середине 1990^х гг, когда мировая цена на нефть составляла 15 долл США /баррель, GTL-технологии казались непривлекательными.

Сегодня, когда она колеблется около 100 долл/баррель, применение их более вероятно.

Тем более, уже идут дискуссии, в каком году мировое производство нефти достигнет своего максимума.

Однако специалисты нефтедобывающих компаний сходятся в том, что снижение мирового производства нефти можно будет наблюдать уже через 5-10 лет.

Для того чтобы, по крайней мере, возместить это снижение, потребуется увеличение объемов производства продуктов, полученных из других — «не нефтяных», углеводородных источников.

3. Качество продуктов переработки.

Общеизвестно, что GTL-синтез лучше, чем очистка.

В синтезируемых продуктах намного легче контролировать уровень содержания примесей.

Это значит, что они в принципе намного чище, чем нефтепродукты, произведенные традиционным путем.

Это может быть актуально для европейских производителей дизельного топлива, которые вынуждены были резко увеличить издержки на его очистку, в связи с введением ограничений на содержание серы и ароматических составляющих топлива.

При этом доля поставок сырой нефти с низким содержанием серы на европейский рынок снижается YoY, и эта динамика, по всей видимости, продолжится.

В феврале 2010 г Peak Oil Group предположила, что пик добычи сырой нефти нефти в мире придется на 2015 г, после которого начнется стагнация добычи.

МЭА прогнозирует наступление пика добычи до 2030 г.

Россия обладает 5,6% мировых разведанных запасов нефти, что составляет около 10,2 млрд т. При нынешнем уровне добычи нефти запасов хватит еще на 20 лет.

К тому же, синтетическое дизельное топливо, производимое из сжиженных углеводородов, имеет более высокое цетановое число — около 70, в сравнении с 55 — для топлива, полученного обычным путем.

Таким образом, экономия на очистке составляет 5-10 долл США/барр.

Технологии

По большому счету существуют 3 типа технологий, позволяющих превращать углеводороды, из природного газа в синтетические жидкие продукты, это:

— прямая конверсия природного газа;

— непрямая конверсия через синтез-газ;

— синтез метанола из синтез-газа.

Прямая конверсия метана позволяет производить дешевый синтез-газ, но сама реакция конверсии, имея высокую энергию активации, практически не поддается контролю.

Был разработан ряд процессов прямой конверсии, но они так и не нашли широкого коммерческого применения.

В результате, предпочтение отдается 2^м другим способам, ключевым звеном в которых является получение синтез-газа.

При получении синтез-газа, природный газ преобразуют в водород и угарный газ путем частичного окисления, парового риформинга или комбинации обоих процессов.

Ключевым критерием использования того или иного процесса является соотношение водорода и угарного газа.

При применении наиболее эффективного синтеза — процесса Фишера-Тропша (Fischer-Tropsch synthesis) это соотношение составляет примерно 2:1, при паровом риформинге оно составляет 5:1.

Для удаления водорода в этом случае используются мембраны или метод адсорбции, основанный на колебаниях давления (pressure swing adsorption).

Ради экономии, избыточный водород утилизируется на соседних нефтеперерабатывающих или аммиачных производствах.

В отсутствии такой возможности, наиболее предпочтительным процессом является процесс Фишера-Тропша.

Здесь возможны 2 варианта: использование чистого кислорода и использование кислорода воздуха.

Во 2^м случае полученный синтез-газ менее насыщен, а в 1^м — требуется строительство воздухоразделительной установки, что увеличивает объемы требуемых инвестиций и издержки.

Технология Фишера-Тропша

Технология Фишера-Тропша сама по себе дорогая.

Ее разработка и применение оправдывалась большей частью стратегическими целями государств, у которых не было доступа к нефтяным запасам, например, Германия времен войны.

Однако с развитием промышленности и технологий появлялись процессы, основанные на технологии Фишера-Тропша, издержки использования которых были существенно ниже.

Технология Фишера-Тропша основана на реакции восстановительной олигомеризации монооксида углерода, и типы продуктов реакции зависят от температуры самой реакции.

Существуют 3 типа конверсионных реакторов для этой технологии.

Самый распространенный из них — реактор с неподвижным слоем типа Arge, где используются трубки с наполненным катализатором; суспензионно-пузырьковый реактор, где используются катализаторы, находящиеся в восковой матрице; и реактор на жидкой основе, где газ продувается через подвижную основу твердых частиц катализаторов.

Синтез продуктов средней фракции компании Shell

Синтез продуктов средней фракции является одним из видов процесса Фишера-Тропша и направлен не на получение бензина, а на синтез продуктов средней фракции, таких как керосин и газойль. Данный процесс известен уже 50 лет, но только в 1993 г. он нашел коммерческое применение — на заводе мощностью 14700 баррелей в день (6,29 барелей = 1 м3)в городе Bintulu в Малайзии. В сущности, он состоит из трех этапов: производство синтез-газа с соотношением водорода и угарного газа 2:1; конверсия синтез-газа до углеводородов с высокой молекулярной массой, посредством использования процесса Фишера-Тропша и применения высокоактивных катализаторов; гидрокрегинг и гидроизомеризация для максимизации содержания продуктов средней фракции.

Компания Shell активно ищет пути внедрения данной технологии по всему миру, включая Австралию и Алжир. Один из последних проектов является гигантское производство в Катаре мощностью 140 тыс барр/день, где первая линия мощностью 70 тыс барр/день будет запущена уже в 2009 г.

Фаза суспензионной дистилляции компании Sasol

Компания Sasol является пионером синтеза Фишера-Тпропша, производя синтетическое топливо с использованием данного синтеза конверсией газифицированного угля начиная с 1955 г. Другая компания — Mossgas лицензировала эти процессы уже для конверсии природного газа в 1991 г. В этом высокотемпературном процессе, известном как усовершенствованный синтез компании Sasol, используются катализаторы на основе оксида железа с подвижным слоем. Данный синтез применяется для выделения бензиновых фракций и фракций легких олефинов. Однако позже компания сконцентрировала свое внимание на низкотемпературном процессе, известном как процесс суспензионной дистилляции (Sasol Slurry Phase Distillate — SSPD). В данном процессе применяется частичное окисление синтез-газа при использовании суспензии воска в воде в качестве катализатора, где и происходит реакция Фишера-Тропша. Будучи основанной на ранних разработках, в частности Arge, в которой применялся реактор с трубчатой неподвижной основой, технология компании Sasol позволяла получать продукты с большим содержанием олефинов.

Начиная с 1999 г, компания Sasol объединила свои усилия с компанией Chevron Texaco с целью коммерциализации GTL-технологии. Компания Chevron разработала процесс изокрекинга для выделения нафты из сырой нефти методом каталитического расщепления.

Sasol-Chevron, имея 2 строящиеся установки мощностью по 34 тыс барр/день в Катаре и Нигерии, была пионером в разработках нового поколения GTL-производств.

Конверсия компании Exxon Mobil

Компания Exxon разработала процесс Фишера-Тропша для получения синтез-газа из природного газа для коммерческого применения. Компания спроектировала собственный суспензионный реактор и создала систему катализаторов высокой активности и селективности, что поспособствовало снижению издержек. Процесс синтеза осуществлялся в 3 стадии: генерация синтез-газа в подвижной основе катализатора с использованием частичного каталитического окисления, суспензионная фаза синтеза Фишера-Тропша и улучшение синтез газа в неподвижном слое катализатора путем гидроизомеризации. Данный процесс применим для получения ряда продуктов. Совсем недавно, компания разработала новый химический метод синтеза дизельного топлива из природного газа, основанный на процессе Фишера-Тропша. Компания предъявила более жесткие требования к катализаторам и улучшила технологии выделения кислорода, таким образом, снизила переменные издержки процесса. В данный момент компания активно продвигает этот процесс по всему миру.

Снова исходной точкой был выбран Катар, где строится производство мощностью 150 тыс барр/сутки. Пуск намечен на 2011 г.

Syntroleum

Процесс Фишера-Тропша по производству синтез-газа компании Syntroleum основан на воздушно-автотермическом риформинге.

С одной стороны, низкие капитальные затраты его применения связаны с отсутствием воздухоразделительной установки, нет необходимости в ее строительстве, с другой — высокая эффективность процесса достигается за счет использования высокоактивных никелевых катализаторов.

Получающаяся синтезированная смесь содержит нафту, дизельную и керосиновую фракции, которые впоследствии могут быть разделены.

Процесс осуществляется на 2^х пилотных установках: в штате Оклахома (с 1990 г.) и в штате Вашингтон (с 1999-2000 гг.).

Компания активно выступает за коммерциализацию этого процесса.

В связи с этим, она развивала этот процесс в Западной Австралии — на установке мощностью 10 тыс барр/день, в связи с чем понесла большие убытки в 2004 г.

Тем не менее, ей удалось подписать ряд лицензионных соглашений с такими производителями, как ARCO, Kerr-McGee, Marathon, Texaco и Repsol-YPF.

В настоящий момент компания сосредоточила усилия на «угольных» GTL-процессах в США.

Rentech

Компания Rentech, находящаяся в американском штате Колорадо, известна собственным запатентованным процессом Фишера-Тропша с суспензионным реактором и осажденным катализатором для преобразования газов и твердых углеродсодержащих материалов в неразветвленные жидкие углеводороды.

Длинные неразветвленные углеводороды относят к тяжелым фракциям, в то же время углеводороды с короткой цепью рассматриваются как легкие фракции, которые конденсируют в дизельное топливо и нафту.

Демонстрационная установка компании была запущена в Колорадо в 1991 г. На ней использовался газ из органических отходов, однако, производство на ней было остановлено из-за нехватки сырья.

Rentech совместно с капиталом венчурной фирмы Republic Financial пыталась приобрести одно из американских метанольных производств мощностью 75 тыс. т/год, для получения до 1000 баррелей/день GTL-продуктов, однако, сделка сорвалась из-за высоких цен на природный газ в 2002-2003 гг.

Тем не менее, компания сохранила за собой 19 американских патентов, огромное количество технико-экономических обоснований строительства установок мощностью около 10 тыс. баррелей/день по всему миру, включая Боливию, Индонезию, Новую Гвинею и Австралию. GTL-процесс компании до сих пор не нашел коммерческого использования, и компания сейчас сосредоточила свои усилия на развитии «угольных» технологий в США.

BP-Davy

Компания British Petroleum занималась разработками GTL-технологий совместно с компанией Davy Process Technology, начиная с 1996 г. Компании разработали процесс, основанный на технологии крупномасштабного парового риформинга (компании Davy) с применением установки для риформинга оптимальной формы (компании BP), которая, как предполагалось, существенно снизит издержки. Демонстрационная установка компании была запущена в конце 2003 г. на Аляске, где эта технология до сих пор проходит испытания.

Statoil

Обладая доступом к крупным запасам природного газа, норвежская компания Statoil разработала катализаторы и реакторы процесса Фишера-Тропша для производства продуктов средних фракций из натурального газа.

Процесс осуществляется при помощи трехфазного реактора суспензионного типа, в котором синтез-газ подается в суспензию частиц катализатора, находящегося в гидросмеси углеводородов, которая сама по себе является одним из продуктов процесса.

Продолжительность процесса зависит от производительности катализатора и его способности непрерывно извлекать жидкий продукт. Компания Statoil заключила соглашение с компанией PetroSA, согласно которому последняя применила разработанный процесс на одной из своих установок в Южной Африке. Таким образом, демонстрационная установка была завершена и запущена уже в 2004 г.

Conoco

Компания ConocoPhillips предложила процесс Фишера-Тропша для получения синтез-газа с применением суспензионного реактора на собственном кобальтовом катализаторе, с частичным каталитическим окислением. Компания заявила, что разработанный ей процесс является наиболее эффективным в плане конверсии газа, и он имеет существенно более низкие издержки. Демонстрационная установка мощностью 400 баррелей/день была введена в строй в 2002 г. в штате Оклахома, и в данный момент компания планирует осуществить уже крупномасштабный проект в Катаре.

JOGMEC

Группа японских компаний: Nippon Steel и Japan Oil, Gas and Metals National Corporation (JOGMEC), работая совместно с Министерством экономики, торговли и промышленности Японии, объединили свои усилия для создания жизнеспособной коммерчески эффективной GTL-технологии к 2011 г. Компании заинтересованы в первую очередь в освоении малых и средних источников газа для применения своей «компактной» технологии. Компания JOGMEC занимается исследованиями в этой области, начиная с 1998 г., и основной акцент делает на эффективность получения синтез-газа. Работая в сотрудничестве с компанией Chiyoda — разработчиком катализаторов и установки для риформинга, JOGMEC развивает GTL-процесс, в котором нет необходимости использования агрегата вывода CO2, кислородной установки или агрегата, используемого для доведения синтез-газа до оптимального состояния.

Несмотря на внимание, уделяемое столь крупными компаниями, процесс до сих пор не выходит за лабораторные рамки, однако, по всей видимости, вскоре будет создана первая демонстрационная установка.

Синтез метанола как GTL-технология

Производство метанола из синтез-газа является давно известной и коммерчески испытанной технологией. Так как метанол сам по себе является жидкостью (при нормальных условиях 0°С и 1 атм.), то обычное производство метанола может рассматриваться как GTL-процесс. Однако, также как в случае с конверсией Фишера-Тропша, процесс преобразования метанола в топливо до недавнего времени был слишком дорогим, чтобы найти сколь бы то ни было широкое использование, несмотря на все плюсы, связанные с экологией. Современные тенденции в развитии технологий существенно увеличили масштабы метанольных производств, благодаря чему снизилась себестоимость метанола. Возможно, что некоторые из современных заводов способны производить достаточно дешевый метанол для его использования в качестве топлива, например для турбин. К тому же, метанол сам по себе — вещество универсальное, и новые технологии получения метанола с низкими издержками откроют дорогу для применения метанола в других областях, где он раньше не применялся. Допустим, получат развитие технологии преобразования метанола в углеводородные продукты, известные как процессы преобразования метанола в олефины — Methanol to olefins processes (MTO processes).

Получение бензина из метанола

Первой из технологий, нашедших коммерческое применение, был процесс получения бензина из метанола разработанный компанией ExxonMobil. Этот процесс основан на использовании цеолитного катализатора ZSM-5 собственного производства. Технология была опробована в 1985 г на заводе компании Methanex в Новой Зеландии. Ее использование было технологически успешным, однако, стоимость полученного бензина составила свыше 30 долл./баррель. Использование этой технологии было бы экономически обосновано лишь в случае субсидий со стороны правительства Новой Зеландии. Начиная с 1997 г., установка служит лишь для производства метанола.

Метанол — в олефины (MTO)

Компании UOP и Haldor Topsoe разработали этот процесс с использованием кремнийалюминийфосфатного молекулярно решетчатого катализатора компании UOP, селективного для процессов конверсии метанола в этилен и пропилен. Поры решетки таковы, что только молекулы, обладающие малым весом и размером, легко просачиваются сквозь них. Остаток, подвергаясь действию катализатора, постепенно коксуется. Коксование означает, что катализатор требует постоянного восстановления. В процессе используется подвижный слой восстановительной системы. Сырьем для процесса служит метанол-сырец, в связи с этим появляется экономия на ректификации, поэтому расположение подобного производства рядом с установкой по производству метанола позволит сэкономить на издержках.

Смесь в котле смешения возвращает теплоту, и большая часть воды конденсируется снаружи. Таким образом, отсутствует стадия выделения углекислого газа, и нет нужды в удалении воды, до того как смесь направляется на участок восстановления. Далее в ректификационных колоннах проходит разделение данной смеси на ее составляющие — этилен, пропилен, метан, этан, пропан и фракции C4. В целом эффективность конверсии составляет 99,8%. Процесс можно также направлять, изменяя условия в реакторе, тем самым, меняя соотношения выработки этилена и пропилена. Таким образом, соотношение между этиленом и пропиленом может варьироваться от 0,75:1 до 1,53:1.

Метанол — в пропилен

Процесс преобразования метанола в пропилен компании Lurgi основан на применении катализатора с неподвижным слоем на цеолитной основе. Подача метанола осуществляется в адиабатический реактор получения диметилового эфира (ДМЭ), где метанол преобразуется в ДМЭ и воду. Высокоактивный и высокоселективный катализатор служит для достижения примерного термодинамического равновесия. Поток метанола, воды и ДМЭ направляют в первый реактор конверсии метанола в пропанол (MTP-реактор), куда также поступает пар. В реакторе осуществляется конверсия метанола и ДМЭ в углеводородные продукты, среди которых превалирует пропилен, с эффективностью свыше 99%. Те же процессы происходят во втором и в третьем реакторах, использование которых гарантирует одинаковые условия реакции, а также максимальную выработку пропилена. После всех стадий смесь охлаждают и разделяют на газофазные продукты реакции, жидкую органическую фазу и воду.

Возможные проблемы

Спустя несколько лет после первоначальных оптимистичных прогнозов в отношении будущего GTL-технологии, темпы реального развития существенно отстали от собственной рекламы. Было объявлено, по крайней мере, о 30 проектах в 2001-2003 гг., многие из которых планировалось осуществить в Катаре, однако, до сих пор только два из них находятся в процессе строительства — Oryx — в Катаре и Escravos — в Нигерии. К тому же, оба они основаны на технологии компании Sasol. Планировавшиеся установки можно грубо разделить на небольшие — мощностью около 10 тыс. баррелей/день, рассчитанные на локальные рынки сбыта, и гигантские, ради экономии на масштабе, — свыше 100 тыс. барр./сутки — продукция которых была бы ориентирована на экспорт.

Компании колебались, стоит ли осуществлять эти проекты, во многом из-за непостоянства мировых цен на нефть, хотя современные цены способствуют развитию GTL-технологий. К тому же, современные GTL-технологии могут быть вполне конкурентоспособны при цене на сырую нефть уже в 25 долл./баррель. Однако возможность снижения цен на нефть нельзя не принимать в расчет. Такая неопределенность в большей степени в сравнении с технологическими аспектами снижает инвестиционную привлекательность GTL-проектов.

С другой стороны, GTL-топлива, используемые транспортом, теоретически могли бы соответствовать более высокой рыночной цене, так как их использование снижает эмиссию выхлопных газов. Эта цена зависит от прогнозов экологического законодательства.

LNG (Liquid Natural Gas)

Возможное снижение стоимости GTL-процессов посредством использования более эффективных катализаторов ограничивается тем, что компании ищут экономию лишь на масштабе, чтобы сделать GTL-процесс конкурентоспособным, по сравнению с традиционными газосжижающими установками. Однако можно предположить, что существенная экономия на издержках, связанных с оплатой труда и организацией инфраструктуры, может быть достигнута, если запускать GTL-процесс наряду с традиционным производством сжиженного натурального газа. GTL-производство очень часто рассматривается лишь как альтернатива сжиженному природному газу, однако, разработчики процесса подсчитали, что совмещение GTL и LNG установок экономит до 20% от совокупной капитальной стоимости на таких вещах, как сжатие газа, электричество, различные загрузочные агрегаты, снабжающая инфраструктура вне границ предприятия. Операционные издержки и издержки на содержание становятся меньше. Снижение издержек на 20% снизит общую стоимость как жидкого натурального газа, так и стоимость GTL почти на 1,7 долл./баррель. Однако для осуществления этой технологии потребуются крупные газовые месторождения, способные обеспечить 7 млн. т/год LNG и 27 миллионов баррелей в год GTL-продукции.

Перспективы GTL в России

В нашей стране GTL-технологии используются пока лишь в части получения метанола, примерно половина которого сразу отправляется на экспорт. Оставшаяся его часть метанола используется в качестве сырья для получения продуктов, часть из которых также уходит на экспорт. В связи с этим, широкого коммерческое применение метанола для получения бензина или олефинов вряд ли стоит ждать в обозримом будущем. Однако метанол может быть использован в получении ДМЭ, который, в частности согласно программе правительства Москвы, может стать вполне распространенным видом топлива. Технологии синтеза диметилового эфира через метанол известны давно, в том числе и в России, и в полнее осуществимы в российских условиях. С другой стороны, дальнейший синтез пропилена (см. MPT-технологии) вряд ли будет иметь место, и процесс ограничится синтезом диметилового эфира.

Согласно прогнозам Института научно-хозяйственного прогнозирования (ИНП РАН), при существующих темпах добычи, разведки и потребления нефти, Россия может вполне превратиться из второго по объемам экспортера (после Саудовской Аравии) в импортера нефти уже через 10-15 лет. В этом случае применение GTL-технологий может стать актуальным и в условиях России. К тому же, это поспособствует утилизации попутного нефтяного газа, который, как и в Западной Африке, у нас зачастую сжигается. Вряд ли GTL-технологии найдут широкое коммерческое применение в обозримом будущем, несмотря на крупнейшие мировые запасы природного газа и угля. Стоит ожидать, что после стран Ближнего Востока, Западной Африки, Австралии и Новой Зеландии инвестиции для строительства GTL-производств придут и в Россию.

Какой объем кислорода требуется для сжигания 2 м3 пропана? Какой объем углекислого газа при этом образуется?

Какой объем кислорода требуется для сжигания 2 м³ пропана? Какой объем углекислого газа при этом образуется?

Решение.

Запишем краткое

V (C3H8) = 2 м3	Запишем уравнение реакции горения пропана: С3Н8 + 5 О2 = 3 СО2 + 4 Н2О 1 моль    5 моль      3 моль      4 моль
V (O2) – ? V (CO2) – ?

условие задачи и дополнительные данные, необходимые для ее решения.

 

Газы, участвующие в реакции, находятся при одинаковых условиях, поэтому для расчета их объемов не обязательно находить количество вещества, а можно применить следствие из закона Авогадро, согласно которому в газовых реакциях отношение объемов реагирующих веществ равно отношению соответствующих коэффициентов в уравнении реакции.

По уравнению сгорания

для сжигания 1 объема С₃Н₈ необходимо 5 объемов О₂;

для сжигания 2 м³ С₃Н₈ необходимо V м³ О₂.

V (O₂) = 2 ∙ 5 / 1 = 10 (м³).

Аналогично рассчитываем объем получающегося в реакции углекислого газа:

при сжигании 1 объема С₃Н₈ образуется 3 объема СО₂;

при сжигании 2 м³ С₃Н₈ образуется V м³ СО₂.

V (СO₂) = 2 ∙ 3 / 1 = 6 (м³).

Ответ: V (O₂) = 10 м³; V (СO₂) = 6 м³.

Национальная Ассоциация сжиженного природного газа

По мнению экспертов, рынок в целом не готов к нововведениям и рискует столкнуться с массовыми нарушениями требований ИМО. Между тем, в России прорабатывается вопрос строительства контейнеровозов на ядерном топливе. Эти и другие темы обсудили участники XII Всероссийского Форума «Современное состояние и перспективы развития российского рынка бункеровочных услуг».

Вступление в силу глобальных требований по уровню содержания серы в судовом топливе в 0,5% с 1 января 2020 года – данность, с которой придется иметь дело. Однако, по мнению экспертов бункерного рынка, мировая судоходная и энергетическая отрасли к этому по многим позициям не готовы.

Основными альтернативами применяемому сейчас обычному «тяжелому» мазуту является низкосернистое топливо, близкое по свойствам к мазуту – VLSFO, малосернистое дизельное топливо – MGO LS, альтернативные виды топлива, среди которых выделяется сжиженный природный газ (СПГ) и скрубберы – системы газоочистки, позволяющие пользоваться обычным «тяжелым» мазутом.

Мазут или дизель?

По мнению выступившего на Форуме директора MABUX Сергея Иванова, имеется высокий риск образования дефицита низкосернистого мазута типа VLSFO по крайней мере в первые месяцы после введения ограничений, причем этот продукт будет доступен лишь в определенных портах, а не по всему миру. Прогнозируется, что с 1 января 2020 года спрос на тяжелые сорта мазута HSFO снизится с 3,5 млн баррелей в сутки до 1,4 баррелей в сутки, в то время как спрос на низкосернистое дизтопливо MGO LS вырастет с 900 тыс. баррелей в сутки до 2 млн баррелей в сутки. При этом стоимость последнего будет расти, разница между ценой HSFO и MGO LS может вырасти с $250/MT до $380/MT.

По данным Intertanko & Veritas Petroleum Services, с 2020 года около 3 млн баррелей или 480 тыс. тонн в сутки потребуется низкосернистого топлива (0,5% и 0,1%) взамен «тяжелого».

Кроме того, резкий рост спроса на низкосернистый мазут может спровоцировать передел бункерного рынка в мировых хабах. Например, в Сингапуре поставщики топлива VLSFO 0,5% опасаются, что трейдеры будут смешивать в танках разные его сорта (всего их уже не менее десяти), что приведет к ухудшению качества. Ввиду этого они намерены поставлять его напрямую в обход трейдеров. По мнению Сергея Иванова, нельзя исключать, что подобная ситуация может распространиться и на другие крупнейшие бункеровочные центры мира.

По прогнозам, которые представил в ходе Форума эксперт «Аргус Медиа» Павел Шеглов, в I квартале 2020 года в порту Сингапур цена на HSFO 380 будет на $303 за тонну ниже, чем на VLSFO 0,5% (сейчас разница составляет $155-160 за тонну), в Роттердаме —  на $329 за тонну. Во втором квартале 2020 году, согласно прогнозам агентства, цена на VLSFO 0,5% в Сингапуре понизится до $565 за тонну. В Роттердаме цена на MGO 0,1% достигнет пика и составит $717 за тонну, что на $473 выше цены на HSFO-380.

Таким образом, с точки зрения цены топливо типа VLSFO 0,5% окажется наиболее приемлемым вариантом решения проблемы ограничений ИМО. Однако далеко не факт, что оно будет везде доступно в нужных объемах. Так, Сергей Иванов привел прогноз, в соответствии с которым до 40% европейских НПЗ могут вообще отказаться от производства бункерного топлива, поскольку не имеют возможностей производства продукта, соответствующего новым требованиям. Кроме того, из-за резкого роста спроса на низкосернистые нефтепродукты может возникнуть дисбаланс и на нефтяном рынке, связанный с перекосом спроса в сторону «легкой» нефти.

Если говорить о России, то по мнению экспертов, VLSFO 0,5% займет прочную позицию в структуре реализации с долей 42% и стабильным спросом на бункерном рынке РФ.

Скруббер – не панацея?

Скрубберы, помимо недостатков, о которых ранее уже подробно говорилось (вес, цена, сложность установки), сами по себе не являются гарантированным «проходным билетом» в эпоху экологического судоходства, поскольку не вполне соответствуют всем предъявляемым требованиям. По данным, приведенным Сергеем Ивановым, в настоящее время ими оборудовано лишь 5,4% от общего количества судов коммерческого флота в мире, причем 81% из них — открытого типа, что подразумевает выброс отработанных вод за борт. 

В свою очередь, ведущий специалист Инженерного центра ГК «Совкомфлот» Андрей Жмурко в ходе Форума сообщил, что по самым оптимистичным прогнозам около 10% судов будут оснащены системами очистки выхлопных газов (скрубберами) в ближайшие несколько лет.

Между тем растет количество портов, где использование скрубберов открытого типа запрещается, и не исключено, что их эксплуатация будет в перспективе запрещена и на уровне ИМО во всем мире — данный вопрос уже обсуждается на площадке ИМО. 

Так, использование скрубберов открытого типа по данным на конец 2018 года было запрещено в портах Бельгии, Латвии и Литвы, внутренних водах Германии, портах Калифорнии и Коннектикута (США), в порту Абу Даби, Сингапуре.

При этом установка скрубберов закрытого (гибридного) типа обойдется существенно дороже и потребует дополнительного пространства на судне. Кроме того, для скрубберов закрытого типа требуются затраты на энергию очищающего оборудования и на химикаты (каустическая сода NaOH). Продукты очистки, которые собираются в специальной цистерне, все равно придется где-то утилизировать, что требует согласований, временных и финансовых затрат.

По расчетам, которые привел в ходе Андрей Жмурко, стоимость скруббера закрытого (гибридного) типа в 1,3-1,6 раза выше стоимости скруббера с открытым контуром.

Учитывая незначительное количество судов, которые оборудованы скрубберами и на которых планируется их поставить, ожидать массового производства этих систем и соответствующего снижения цены тоже вряд ли стоит.

Более того скрубберы, даже закрытого типа, скорее всего не смогут обеспечить соответствие грядущим ограничениям, связанным с выбросами CO2 c судов.

Как ранее в рамках «Транспортной недели» в Москве прокомментировал генеральный директор, председатель правления ПАО «Совкомфлот» Сергей Франк, «через пять-шесть лет нас ожидает ограничение по парниковым газам CO2, и субстандартные решения, вроде скрубберов, жизнью будут опрокинуты».

СПГ ищет инфраструктуру

В качестве наиболее приемлемой альтернативы нефтепродуктам рассматривается сжиженный природный газ (СПГ). 

По данным, приведенным в ходе Форума Сергеем Ивановым, количество судов на СПГ растет медленно, в 2019 году, по прогнозам, их количество может достигнуть доли всего лишь в 0,5% от общего количества судов коммерческого флота. Слабые темпы прироста таких судов ставят под сомнение и инвестиции в развитие соответствующей инфраструктуры.

Кроме того, как рассказал в ходе Форума специалист по газомоторному топливу Антон Луцкевич, развитие газотопливного судоходства, несмотря на ряд очевидных преимуществ, сдерживается рядом проблем,  в  т.ч.  неразвитостью  СПГ-бункеровочной  инфраструктуры  и  недостаточным развитием нормативной  базы.  В настоящее время по заказу «Газпрома» ведется разработка стандартов газомоторного топлива для судов. Головной организацией выступает ЦНИИМФ, разработчиком — Крыловский ГНЦ, работу планируется завершить в 2022 году. Антон Луцкевич призвал заинтересованные организации подавать свои предложения по стандартам, поскольку сейчас есть возможность повлиять как на международные стандарты ISO, так и на национальные, тем самым сформировав «правила игры» на зарождающемся рынке СПГ.

По мнению первого заместителя генерального директора, главного инженера ПАО «Совкомфлот» (СКФ) Игоря Тонковидова, которое он высказал в ходе Петербургского международного экономического форума-2019, «министерство энергетики и министерство транспорта должны высказаться, каким образом они поощряют и готовы стимулировать развитие этого рынка и наверное должны разработать ряд технических основополагающих документов, в том числе стандарт качества газомоторного топлива, который ясно скажет, каким критериям оно должно соответствовать», — сказал Игорь Тонковидов.

В части инфраструктуры следует отметить, что в России уже заработал бункеровочный СПГ-терминал в рамках проекта «Криогаз-Высоцк», а «Газпромнефть Марин Бункер» строит собственный специализированный бункеровщик сжиженным газом.

Как рассказал в ходе Форума представитель проекта «Криогаз-Высоцк», с начала работы терминала СПГ уже было забункеровано около 40 судов. В частности, на терминале берет топливо крупнейший бункеровщик Kairos, работающий в северо-западной Европе. Терминал может принимать суда длиной до 185 м, шириной до 28 м, осадкой 7,82 м и вместимостью до 30 тыс. куб. м.

По оценкам, которые привел в ходе Форума исполнительный директор Национальной газомоторной ассоциации Василий Зинин, мировое потребление СПГ в качестве судового топлива к 2030 году может составить от 6 до 40 млн тонн СПГ, без учета объемов, потребляемых крупнотоннажными судами-газовозами.

Пионером в использовании СПГ-топлива в России является ПАО «Совкомфлот».

Кроме того, прорабатывается совместный проект НОВАТЭКа и Атомфлота по созданию четырех ледоколов на газомоторном топливе. Объединенная судостроительная корпорация (ОСК) планирует спустить на воду первый паром на СПГ для линии Усть-Луга — Балтийск в конце июля 2019 года и ведет разработку широкой линейки судов на СПГ-топливе, включая бункеровщики. Для арктических газовых проектов также используются газовозы, использующие СПГ в качестве топлива. 

Также, как рассказал в ходе Форума советник отраслевого центра капитального строительства ГК «Росатом»  Станислав Чуй, прорабатывается проект по созданию серии судов-контейнеровозов вместимостью по 5 тыс. TEUs. По мнению Станислава Чуя, они могли бы работать на СПГ либо на ядерном топливе. По мнению Станислава Чуя, применение ядерного топлива позволило бы избавиться от проблем, связанных с использованием других видов топлива, соответствующих стандартам ИМО, и обеспечить стабильную финансовую модель.

Говоря об СПГ необходимо учитывать и то, что строительство судов на СПГ, как правило, подразумевает создание двутопливных судов, однако, по мнению президента ОСК Алексея Рахманова, двутопливные системы существенно дороже при строительстве и эксплуатации, чем однотопливные.

Куда плывем?

Учитывая неготовность многих НПЗ в мире к производству низкосернистого мазута, соответствующего новым стандартам ИМО, мировая судоходная отрасль может столкнуться с его локальными дефицитами. Установка скрубберов слишком дорога и несет в себе риски их запрета в ближайшем будущем. Из альтернативных видов топлива наиболее реальным представляется использование СПГ, однако количество судов на нем пока слишком мало для массового развития необходимой инфраструктуры, а также сопряжено с высокими капитальными затратами на строительство и эксплуатацию таких судов в сравнении с обычными судами. Все это может привести к тому, что судовладельцы с 2020 года будут либо массово нарушать ограничения ИМО, либо пользоваться низкосернистым дизельным топливом в регионах, где сформируется дефицит более дешевого низкосернистого мазута

В России ВИНКи заверяют, что проблем с поставками низкосернистого мазута быть не должно. Правда, правительственные субсидии на производство такого топлива пока предоставляются лишь ограниченному кругу производителей.

В части СПГ Россия активно развивается и уже имеет работающий на Балтике СПГ-терминал в Высоцке. Кроме того, «Росатом» прорабатывает использование ядерного топлива на транспортном коммерческом флоте.

Виталий Чернов.

Свернуть

Горючий лед: как развиваются технологии добычи метана из газовых гидратов в России — ТЭК

МОСКВА, 18 января. /ТАСС/. Российские математики создали модель для разработки залежей самого богатого источника природного газа на планете — газовых гидратов, концентрация которых высока в арктической зоне, а ученые Сколтеха предложили технологию добычи метана из гидратов. Эксперты рассказали ТАСС, как добыча такого метана поможет снизить парниковый эффект, в чем преимущества новых исследований, и есть ли перспективы у промышленной разработки газогидратов в России.

Против парникового эффекта

Газовые гидраты — это твердые кристаллические соединения льда и газа, их еще называют «горючий лед». В природе они встречаются в толще океанского дна и в вечномерзлых породах, поэтому добывать их очень сложно — на глубину в нескольких сотен метров нужно бурить скважины, а потом выделять природный газ из ледовых отложений и транспортировать его на поверхность. Сделать это удалось в Южно-Китайском море в 2017 году китайским нефтяникам, но для этого им пришлось углубиться в толщу морского дна на более чем 200 метров при том, что глубина в районе добычи превышала 1,2 км.

Исследователи считают газовые гидраты перспективным источником энергии, который может быть востребован, в частности, странами, ограниченными в других энергоресрусах, например, Японией и Южной Кореей. Оценки содержания метана, сжигание которого дает энергию, в газогидратах в мире разнятся: от 2,8 квадриллионов тонн по данным Минэнерго РФ до 5 квадриллионов тонн по данным Мирового энергетического агентства (МЭА). Даже минимальные оценки отражают огромные запасы: для сравнения, общемировой объем запасов нефти корпорация BP (British Petroleum) в 2015 году оценила в 240 млрд тонн.

«По оценкам некоторых организаций, прежде всего Газпром ВНИИГАЗ, ресурсы метана в газогидратах на территории РФ составляют от 100 до 1000 трлн кубометров, в арктической зоне, в том числе морях, — до 600-700 трлн кубометров, но это очень приблизительно», — рассказал ТАСС ведущий научный сотрудник Центра добычи углеводородов Сколковского института науки и технологий (Сколтеха) Евгений Чувилин.

Помимо собственно источника энергии, газогидраты могут стать спасением от парниковых газов, что позволит остановить глобальное потепление. Освободившиеся от метана пустоты можно заполнять углекислым газом.

«По оценкам исследователей, в гидратах метана содержится более 50% углерода от суммарных известных мировых запасов углеводородов. Это не только самый богатый на нашей планете источник углеводородного газа, но и возможное вместилище для углекислого газа, который считается парниковым. Можно убить двух зайцев — добыть метан, сжечь его для получения энергии и закачать на его место полученный при сжигании углекислый газ, который займет место метана в гидрате», — рассказал ТАСС замдиректора по научной работе Тюменского филиала Института теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН Наиль Мусакаев.

В условиях вечной мерзлоты

На сегодня исследователи выделяют три основных перспективных способа добычи газовых гидратов.

«Прежде чем добыть газ из гидратов, требуется их разложить на составляющие — газ и воду или газ и лед. Можно выделить основные методы добычи газа — снижение давления на забое скважины, нагрев пласта с помощью горячей воды или пара, подача в пласт ингибиторов (веществ для разложения газогидратов — прим. ТАСС)», — пояснил Мусакаев.

Ученые из Тюмени и Стерлитамака создали математическую модель для добычи метана в вечной мерзлоте. Примечательна она тем, что учитывает процесс образования льда во время разработки месторождения.

«Образование льда имеет плюсы и минусы: он может закупорить оборудование, но, с другой стороны, разложение газогидрата на газ и лед требует в три раза меньше энергии, чем при разложении на газ и воду», — рассказал Мусакаев.

Преимущество математического моделирования — возможность спрогнозировать сценарий разработки газогидратных залежей, в том числе оценить экономическую эффективность способов добычи газа из таких месторождений. Результаты могут заинтересовать проектные организации, которые занимаются планированием и разведкой на газогидратных месторождениях, отметил ученый.

Сколтех также занимается разработкой технологий для добычи метана из гидратов. Совместно с коллегами из Университета Хериота-Уатта в Эдинбурге специалисты Сколтеха предложили извлекать метан из газогидратов путем закачки воздуха в пласт породы. «Этот метод — более экономичный по сравнению с существующими, и меньше влияет на окружающую среду», — пояснил Чувилин.

В данном методе предполагается, что в пласт закачивается углекислый газ или азот, и газогидраты из-за разницы в давлении разлагаются на составляющие. «Мы пока проводим методические исследования по опробованию метода и его эффективности. До создания технологии еще далеко, пока мы создаем физико-химические основы этой технологии», — подчеркнул ученый.

По словам Чувилина, в России пока нет полностью готовых технологий для эффективной добычи метана из гидратов, так как нет целевых программ поддержки этого научного направления. Но разработки все равно ведутся. «Может быть, газовые гидраты не станут главным энергоресурсом будущего, но их использование наверняка потребует развития новых знаний», — добавил Мусакаев.

Экономическая целесообразность

Разведку и разработку газогидратных месторождений учитывает в числе долгосрочных перспектив газодобычи прогноз развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2035 года. В документе отмечается, что газогидраты могут стать «фактором в мировой энергетике только через 30-40 лет», но при этом не исключается прорывной сценарий. В любом случае разработка гидратов повлечет глобальный передел на мировом рынке топливных ресурсов — цены на газ будут снижаться, и сохранить доходы добывающие корпорации смогут только захватывая новые рынки и увеличивая объем продаж. Для массовой разработки таких месторождений надо создавать новые технологии, улучшать и удешевлять существующие, отмечается в стратегии.

Учитывая труднодоступность гидратов и сложность их добычи, эксперты называют их перспективным источником энергии, но отмечают, что это не тенденция ближайших лет — для гидратов нужны новые технологии, которые пока только разрабатываются. А в условиях налаженной добычи природного газа метан из гидратов находится в не самом выигрышном положении. В дальнейшем все будет зависеть от конъюнктуры рынка энергоносителей.

Заместитель директора Центра добычи углеводородов Сколтеха Алексей Черемисин считает, что метан из гидратов начнут добывать нескоро как раз из-за имеющихся запасов традиционного газа.

«Сроки промышленной добычи зависят как от экономически доступной технологии поиска, локализации и добычи газа, так и от рыночных факторов. Газодобывающие компании имеют достаточное количество запасов традиционного газа, поэтому рассматривают технологии добычи газа из газогидратов как задел на долгосрочную перспективу. По моей оценке, промышленная добыча в РФ начнется не ранее чем через 10 лет», — сказал эксперт.

По мнению Чувилина, в России есть месторождения, на которых метан из газогидратов могут начать добывать в ближайшие 10 лет, и это будет достаточно перспективно. «На некоторых газовых промыслах севера Западной Сибири при истощении традиционных газовых коллекторов возможна разработка вышележащих горизонтов, где газ может находиться и в гидратной форме. Это возможно в ближайшем десятилетии, все будет зависеть от стоимости энергоносителей», — резюмировал собеседник агентства.

Сколько воздуха требуется для полного сгорания?

Следующая статья расскажет вам: Сколько воздуха требуется для полного сгорания?

Стехиометрическое соотношение воздух-топливо:

Стехиометрическое соотношение воздух-топливо можно определить как отношение количества воздуха, необходимого для полного сгорания 1 кг топлива. Это также называется химически правильным соотношением воздух-топливо.

Если сгорание завершено, то от данного топлива доступно только максимальное количество тепла.Теоретически точное количество необходимого кислорода можно рассчитать с помощью уравнений или с помощью формулы, полученной из приведенных выше уравнений, и это даст нам непосредственно теоретически необходимый кислород, если мы знаем окончательный анализ топлива.

Кислород для сгорания топлива должен быть получен из атмосферного воздуха, хотя в некоторых случаях определенное количество кислорода является составной частью топлива. Воздух представляет собой смесь кислорода, азота, небольшого количества углекислого газа и небольших следов инертных газов, таких как неон, аргон, криптон и т. Д.

Для всех практических целей мы предполагаем, что воздух состоит на 23% по весу из кислорода, а остальные 77% составляют азот. Если рассматривать по объему, воздух состоит из 21% кислорода и 79% азота. Зная количество кислорода, необходимое для сгорания топлива, мы можем определить количество воздуха, необходимое для полного сгорания одного кг топлива.

Рассмотрим 1 кг топлива, окончательный анализ которого показывает, что углерод составляет C кг, водород H кг, кислород O кг и сера S кг.

1 кг углерода требует 8/3 кг кислорода для его полного сгорания; поэтому для C кг углерода потребуется C x 8/3 кг кислорода, что эквивалентно 2,66 кг кислорода (с учетом до двух знаков после запятой).

1 кг водорода требует 8 кг кислорода; следовательно, H кг водорода требует 8H кг кислорода.

1 кг серы требует 1 кг кислорода; следовательно, для S кг серы требуется S кг кислорода.

Следовательно, количество кислорода, необходимое для сжигания 1 кг топлива, составляет:

(2.66C + 8H + S) кг.

Если в топливе содержится O кг кислорода; то учитывается

∴ Кислород, необходимый из воздуха для полного сгорания топлива, будет (2,66C + 8H + S — O), что может быть записано как 2,66C + 8 (H — O / 8) + S, член в скобках известен как доступный водород. Таким образом, мы получаем формулу для определения минимального количества кислорода для полного сгорания твердого или жидкого топлива, окончательный анализ которой известен.

Формулу можно записать как:

Определение избытка воздуха:

Мы рассчитали минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива.На практике мы подаем воздуха больше, чем теоретически минимальное количество, чтобы обеспечить полное сгорание топлива, потому что весь подаваемый воздух не входит в тесный контакт с частицами топлива.

Большое количество избыточного воздуха оказывает охлаждающее воздействие на процесс горения и представляет собой потери, и для того, чтобы избежать этого охлаждающего эффекта, воздух предварительно нагревается перед его поступлением в топку котла.

В системе естественной тяги избыток воздуха больше по сравнению с системой искусственной тяги.Общее количество подаваемого воздуха зависит от количества топлива, скорости сгорания, системы зажигания и силы тяги. Избыток воздуха может приближаться к 100 процентам, но в современной практике используется от 25 до 50 процентов.

Избыточный воздух обозначается CO ₂ % в дымовых газах. Когда в котельной типа котла Ланкашир используется ручной топки с системой естественной тяги, от 10% до 12% CO ₂ в дымовых газах будет считаться хорошей практикой. С механическими регуляторами хода и искусственной тягой было бы вполне разумно ожидать от 12% до 15% CO ₂ .

В случае двигателя внутреннего сгорания весь воздух, всасываемый во время такта всасывания, не контактирует с частицами топлива; в результате подается избыточный воздух, и его следует уменьшить до минимума, чтобы получить более конкретную производительность. Если подача воздуха в цилиндр двигателя составляет менее 15% избытка, смесь воздуха и топлива в цилиндре называется богатой. Если подача воздуха более чем на 30% превышает теоретический минимум, смесь известная как слабая смесь.

Пример:

Определите теоретическую массу воздуха, необходимую для полного сгорания 1 кг угля, анализ которой по массе приведен ниже:

Углерод — 83%, водород — 5%; кислород — 2%;

Сера — 0.2%; остальное негорючие.

Решение:

Как известно, при окончательном анализе топлива мы определяем массу различных горючих элементов в топливе. В 1 кг топлива:

Углерод 0,83 кг, водород 0,05 кг, кислород 0,02 кг и сера 0,002 кг.

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания 1 кг топлива, определяется по формуле:

Анализ дымовых газов по массе и объему:

При сгорании топлива продуктами сгорания будут диоксид углерода, водяной пар, диоксид серы и азот воздуха.При подаче избыточного воздуха кислород также будет одним из компонентов анализа дымовых газов.

Чтобы провести анализ дымовых газов по массе, определите массу каждого компонента отдельно и выразите каждый из них в процентах от общей массы. Когда известен массовый анализ дымовых газов, его можно преобразовать в объемный анализ с помощью гипотезы Авогадро (молекулярные массы всех газов в равных объемах).

Определение подаваемого воздуха с помощью объемного анализа дымовых газов:

Количество воздуха, подаваемого в топку котла, очень велико, поэтому его нельзя измерить напрямую.Его косвенное измерение может быть выполнено, если мы знаем объемный анализ сухого дымового газа. Когда мы рассматриваем объемный анализ дымовых газов, мы учитываем монооксид углерода, диоксид углерода, кислород и азот, потому что количество диоксида серы незначительно, а водяной пар конденсируется.

Рассмотрим топливо, содержащее C% по массе углерода. Анализ сухого дымового газа при сгорании этого топлива показывает —

Мы знаем, что молекулярный вес газов — это относительный вес равных их объемов.Отсюда следует, что относительный вес данного относительного объема газов показан как:

Определение утечки воздуха в дымоходах котла:

Давление в топке котла и различных дымоходах ниже атмосферного с приточной и естественной тягой; поэтому атмосферный воздух может просачиваться в различные дымоходы через трещины. Проведя анализ дымовых газов в двух точках, мы можем определить утечку воздуха между этими двумя контрольными точками.Количество утечки воздуха можно определить с помощью формулы.

Определение количества подаваемого воздуха на кг топлива:

Определение количества воздуха, подаваемого на кг топлива, на основе анализа дымовых газов, если дано по массе:

Пусть C будет процентным содержанием углерода в 1 кг топлива, а вес газа указан ниже:

Химически правильное соотношение воздух-топливо:

Минимальное количество воздуха, необходимое для полного сгорания одного м3 газообразного топлива ₃ , которое рассчитывается по следующей формуле —

И.Сжигание водорода:

II. Сжигание окиси углерода:

III. Сжигание болотного газа:

Применяя полученную выше формулу, мы можем определить минимальное качество воздуха, необходимого для полного сгорания одного кубометра газообразного топлива ³ . Зная процент подаваемого избыточного воздуха, мы можем узнать фактическое качество воздуха, подаваемого для сжигания газообразного топлива.

Коэффициент избытка воздуха:

Это количество воздуха, подаваемого сверх минимального количества воздуха, необходимого для полного сгорания. Это может быть выражено в процентах от избытка необходимого воздуха или в виде коэффициента, известного как коэффициент избытка воздуха α.

Анализ дымовых газов по объему и массе в случае газообразного топлива:

Когда известен объемный анализ газообразного топлива, мы можем легко выполнить объемный анализ сухого дымового газа.Когда известен объемный анализ, массовый анализ может быть получен с помощью этого метода. Для пояснения метода определения объемного анализа дымовых газов используется иллюстрация.

Пример :

Производственный газ имеет следующий процентный анализ по объему:

H ₂ — 15; СН ₄ — 2; СО — 20; CO ₂ — 6; О ₂ = 3; N ₂ — 54.

На сжигание подается 50% избыточного воздуха.Рассчитайте объем подаваемого воздуха на ³ м газа и проведите объемный анализ сухих продуктов сгорания.

Решение:

Количество кислорода, необходимое для полного сгорания водорода

= 0,5 x 0,15 = 0,075 м ³ .

Количество кислорода, необходимое для полного сгорания метана

= 2 x 0,02 = 0,04 м ³ .

Количество кислорода, необходимое для полного сгорания окиси углерода

= 0.5 x 0,2 = 0,1 м ³ .

Определение количества подаваемого воздуха на M ³ газа:

Определение количества подаваемого воздуха на м3 ³ газа из анализа сухих дымовых газов в случае газообразного топлива:

Для определения количества подаваемого воздуха нам необходим анализ газа, а также выхлопных газов. Объемным анализом газа можно определить минимальное необходимое количество воздуха, общий объем образовавшихся продуктов сгорания и водяного пара.Когда пар конденсируется, можно рассчитать объем сухих продуктов сгорания. При анализе выхлопных газов пар будет конденсироваться.

Пусть V ₁ м ³ будет количеством воздуха, подаваемого на 1 м газа ³ сверх того, что требуется для полного сгорания, а V будет объемом сухих продуктов сгорания при подаче минимального количества воздуха.

∴ Общий объем фактических продуктов сгорания = (V ₁ + V) м ³ .

Пусть O будет процентным содержанием кислорода (по объему), присутствующего в выхлопных газах, тогда избыточное количество воздуха, которое будет содержать этот объем кислорода, будет O / 21 м ³ .

Когда известен избыточный воздух и известно минимальное количество воздуха, которое требуется, мы можем определить количество воздуха, подаваемого на 1 м газа ³ газа.

Полное сгорание — обзор

КРЕЙГ Б. СМИТ, Энергетика, менеджмент, принципы, 1981

Пример.

Проба природного газа состоит из 67 процентов по объему метана и 33 процентов по объему этана. Определите количество кислорода и воздуха, необходимое для полного сгорания.

Решение.

Определите массовые доли углерода и водорода, а затем примените уравнение (9.1).

Молекулярная масса

Mw = (0,67) (16) + (0,33) (30) = 20,62wc = (12) (0,67) + (24) (0,33) 20,62 = 77,4% wH = (4) ( 0,67) + (6) (0,33) 20,62 = 22,6% wo = 0ws = 0.

Тогда:

wo = (2.67) (0,774) + (8) (0,226) = 3,88 кг O2 на кг топлива.

Используя уравнение (9.2) или учитывая, что на 1 кг O ₂ приходится 4,31 кг воздуха, получаем

wA = 16,7 кг воздуха на 1 кг топлива.

Обратите внимание, что на каждый кг топлива, входящего в сгорание, требуется как минимум 16,7 кг воздуха! В действительности необходимо подавать больше воздуха, чем указано, поскольку для обеспечения полного сгорания требуется некоторый избыток воздуха. Что касается природного газа, эффективный котел будет использовать около 15 процентов избыточного воздуха, или примерно 19 кг на кг топлива.Поскольку это 77 процентов по массе N ₂ , это означает, что на каждый кг топлива приходится около 15 кг N ₂ , протекающих через котел, нагреваясь от температуры окружающей среды до температуры сгорания и, в конечном итоге, перенося тепло вверх. стек, не принося никакой пользы процессу!

Для полного сгорания необходимо выполнение следующих условий:

•

Соответствующая подача воздуха (кислорода)

•

Соответствующая топливно-воздушная смесь

•

Соответствующая температура в камере сгорания для топлива зажигание

•

Достаточное время пребывания в камере сгорания для полного сгорания

Слишком большой поток воздуха (избыточный воздух) приводит к потере топлива из-за увеличения потерь энергии в дымовой трубе, а недостаток воздуха ведет к неполному сгоранию.

Это схематично показано на рисунке 9.1. На рис. 9.2 показана возможная экономия энергии в результате сокращения избыточного воздуха до оптимального количества в типичных промышленных газовых и масляных котлах. На рис. 9.3 показан типичный котел.

Рис. 9.1. Взаимосвязь теплопотерь котла и избытка воздуха.

Рис. 9.2. Возможная экономия топлива для котлов за счет анализа дымовых газов.

Источник: Smith, C.B., ed. Эффективное использование электроэнергии , Pergamon Press, 1978 г. Авторские права © 1978

Рис.9.3. Комбинированный котел, пригодный для сжигания газа или мазута.

Котлы можно «настроить» путем измерения количества O ₂ , CO ₂ , CO и несгоревших углеводородов в дымовых газах. Методы и оборудование для выполнения этих измерений описаны в Приложении C.

Ниже приведены приблизительные методы определения КПД котла. В них используются типичные параметры топлива и данные из литературы (ссылки 1 и 3). Из-за большого разнообразия состава топлива и конструкций котлов эти методы следует использовать только для предварительных анализов.

Шаг 1. Измерьте содержание O ₂ или CO ₂ в дымовых газах. Содержание CO ₂ зависит от типа топлива и подаваемого избыточного воздуха. В таблице 9.3 указаны типичные максимальные количества избыточного воздуха. Желаемое содержание O ₂ намного меньше зависит от типа топлива, что делает измерения O ₂ в определенном смысле предпочтительными.

Таблица 9.3. Обычное количество избыточного воздуха, подаваемого на оборудование для сжигания топлива

Топливо	Тип печи или горелок	Избыток воздуха,% по массе
Пыль-уголь	Печь для шлакового охлаждения с полным водяным охлаждением или с сухим золоудалением	15-20
	Печь с частичным водяным охлаждением для сухого золоудаления	15-40
Угольный щебень	Циклонная печь — напорная или всасывающая	10-15
Уголь	Топка распределителя	30-60
	Топка с вибрационной решеткой с водяным охлаждением	30-60
	Решетка с цепной решеткой и топка с подвижной решеткой	99
	Топка с нижней подачей	20-50
Мазут	Жидкотопливные горелки регистровые	5-10
90 398 Многотопливные горелки и плоское пламя	10-20
Кислотный шлам	Горелки конусного и плоскопламенного типа, распыленные паром	10-15
Природный, коксовый и нефтеперерабатывающий газ	Горелки регистрового типа	5-10
	Многотопливные горелки	7-12
Доменный газ	Горелки соплового типа	15-18
39 печи (10-23% через решетки) и типа Hofft	20-25
Багасса	Все печи	25-35
Черный щелок	Печи-утилизаторы для процессов крафт-варки и натронной варки	5-7

Источник: Smith, C.Кровать. Эффективное использование электроэнергии, Pergamon Press, 1978.

Copyright © 1978

Шаг 2. Используйте рисунок 9.4, чтобы определить значение избытка воздуха для данного типа топлива; или, чтобы найти CO ₂ , если измеряется O ₂ и т. д.

Рис. 9.4. Связь между CO ₂ , O ₂ и избыточным воздухом.

Источники: составлено на основе данных Dryden, I.G.C., ed. Эффективное использование энергии , IPC Science and Technology Press, 1975; и Разумное использование газа — Промышленное руководство по энергосбережению , Американская газовая ассоциация.Copyright © 1975

Шаг 3. Определите чистую температуру выхлопных газов: Тег. Это будет температура дымового газа за вычетом воздуха для горения (температура окружающей среды), если не установлен подогреватель воздуха или экономайзер. Если есть подогреватель воздуха или экономайзер, определите температуру на его выходе. Температуру воздуха для горения следует измерять на входе в вентилятор с наддувом. Затем определите Тег как разницу между этими двумя температурами.

Шаг 4. Используйте рисунок 9.5 (A) или (B), чтобы определить КПД котла.

Рис. 9.5. Кривые КПД котла.

Источники: составлено на основе данных Dryden, I.G.C., ed. Эффективное использование энергии , IPC Science and Technology Press, 1975; и Разумное использование газа — Промышленное руководство по энергосбережению , Американская газовая ассоциация.

Правильное обслуживание горелок, топок и другого оборудования для сжигания очень важно. Например, в системах, работающих на жидком топливе, температура, при которой масло подается в горелки, способствует правильному распылению и сгоранию.

Эффективность также повышается с повышением температуры воздуха для горения и питательной воды, поскольку для их нагрева требуется меньше энергии. В некоторых случаях отработанное тепло из дымовых труб можно рекуперировать и использовать для нагрева поступающего воздуха. Например, на рисунке 9.6 показана типичная экономия в результате предварительного нагрева воздуха для горения. Если конденсат возвращается, питательная вода может быть максимально нагрета. Если по какой-то причине конденсат не возвращается, возможно, отработанное тепло можно использовать для подогрева питательной воды.

Рис. 9.6. Примерная экономия топлива при использовании в котельных установках нагретого воздуха для горения.

Источник: Smith, C.B., ed. Эффективное использование электроэнергии , Pergamon Press, 1978 г. Авторские права © 1978

Преимущество возврата конденсата.

Это можно увидеть в следующем примере расчета:

Расход пара: 25000 кг / час

Температура питательной воды: 15 ° C

Температура конденсата: 50 ° C

Средняя удельная теплоемкость воды: 4,180 Дж / кг ° C.

Случай 1: Нет возврата конденсата (предположим, что работа в течение 1 часа):

E = m˙CpΔTt = (25,103) (4,180) (100-15) (1) = 8,9 ГДж.

Это потребляемая энергия для нагрева питательной воды при отсутствии возврата конденсата.

Случай 2: возврат 100% конденсата:

E = m˙CpΔTt = (25,103) (4,180) (100-50) (1) = 5,2 ГДж.

Экономия от возврата конденсата составляет 3,7 ГДж / час. Теперь предположим, что в качестве топлива используется нефть с оценкой 6 ГДж / баррель; это экономия более одного барреля масла в час (тепловой КПД котла 70 процентов).

Преимущество автоматического контроля топлива.

При соблюдении осторожности оператор может поддерживать надлежащее соотношение воздуха и топлива. Однако в некоторых случаях система учета топлива и воздуха может автоматически поддерживать эффективную работу. Для паровой установки среднего размера (25 000 кг / час) такая система могла бы окупить себя за год или два за счет экономии топлива всего на 5 процентов.

Производство и распределение пара.

Усовершенствования паровых систем делятся на две большие категории.Первое относится к самой паровой системе, а второе относится к использованию пара. Для паровых систем учитывайте:

•

Утечки пара из трубопроводов и клапанов

•

Неисправные конденсатоотводчики

•

Правильный выбор размеров и техническое обслуживание распределительных систем, включая изоляцию

Надлежащее управление возвратом конденсата

•

Надлежащее обслуживание систем парообогрева

Большинство этих EMO самоочевидны и не требуют обсуждения.Небольшие утечки пара из-за неисправных сифонов или клапанов могут привести к неожиданно большим потерям энергии (рис. 9.7). Поскольку паровые нагрузки меняются с течением времени, распределительную систему можно использовать для целей, отличных от тех, для которых она была первоначально спроектирована. Если линии слишком малы, перепады давления могут быть чрезмерными. Если они слишком велики, то есть обеспечивают малую нагрузку, потери могут быть непропорционально большими. Возврат конденсата позволяет экономить энергию несколькими способами. Мало того, что для нагрева питательной воды требуется меньше энергии, меньше энергии будет расходоваться на перекачивание и химическую обработку подпиточной воды.Системы парообогрева (используемые для обогрева труб, резервуаров и т. Д.) Могут тратить энергию, если не обслуживаются должным образом. Очевидное предостережение — выключать их, когда они не нужны.

Рис. 9.7. Потери тепла из-за утечки пара.

Источник: Smith, C.B., ed. Эффективное использование электроэнергии , Pergamon Press, 1978 г. Авторские права © 1978

Пар используется для отопления, для работы парового оборудования или для обогрева зданий. К некоторым EMO относятся:

•

Подача пара при минимально возможном давлении

•

Изучите варианты использования пара, чтобы увидеть, существуют ли более эффективные альтернативы

•

Примените каскадный принцип к использованию пара

Пар обычно будет подаваться при давлении максимальной нагрузки.В промышленных условиях это может составлять от 1 до 3 МН / м ² , если используется оборудование с приводом от паровой турбины. Пар также используется для переноса жидкостей с помощью паровых струй. Для целей нагрева давления обычно находятся в диапазоне от 0,1 до 0,3 МН / м ² . Если большая часть нагрузок находится при более низком давлении, пар не должен подаваться под высоким давлением. Вместо этого можно найти альтернативный источник энергии для нагрузки высокого давления.

В некоторых случаях электродвигатели или альтернативные приводные системы будут более эффективными, чем паровые турбины.Это верно в случаях, когда паровые нагрузки невелики или находятся далеко от паровой установки. Электроэнергия может быть даже лучше для отопления в конкретном случае, если учесть потери в линии и эффект более точного регулирования температуры.

Иногда требуется подача пара под высоким давлением. Вместо использования редукционных клапанов ищите возможности каскадного использования пара в допустимых пределах по давлению, температуре и качеству пара. Например, пар высокого давления может сначала расширяться через неконденсирующуюся турбину для выполнения полезной работы, а затем отработанный пар турбины может использоваться для обогрева технологических процессов или зданий.

Невозможно переоценить важность надлежащей изоляции паропровода. Рисунок 9.8 иллюстрирует величину потерь тепла от неизолированных линий. Преимущества утеплителя можно увидеть на следующем примере.

Рис. 9.8. Потери тепла от оголенных линий.

Источник: Smith, C.B., ed. Эффективное использование электроэнергии , Pergamon Press, 1978 г. Авторские права © 1978

Пример.

Стальная труба с внутренним диаметром 25 см и толщиной стенки 9,5 мм пропускает пар при температуре 260 ° C и давлении 4,69 МПа (500 ° F и 680 фунтов на кв. Дюйм).Определите преимущества теплоизоляции из формованной трубы из минеральной ваты толщиной 5 см для следующих условий:

Tambient = 20 ° CKpipe = 45 Вт⋅м / м2 ° C Изоляция = 0,06Вт⋅м / м2 ° Chc воздух = 9Втmм2 ° Chc пар = 14200 Wm2 ° C

Раствор.

Вычислите четыре сопротивления (см. Главу 10, уравнение 10.5). Обратите внимание, что тепловой поток через полый цилиндр определяется выражением:

(9,3) Q = 2πLKΔT / ln (r2 / r1) Вт,

, где L = длина трубы, м

K = теплопроводность цилиндра, Вт · м / м ² ° C

Δ T = разница температур между внутренней и внешней стенками, ° C

r ₂ = внешний радиус, м

r ₁ = внутренний радиус, м.

Сопротивления находятся следующим образом (на единицу длины 1 м):

Поверхность обжига = 1 (пар hc) (A) = 1 (14 200) (π) (0,25) = m ° C / W8. 97 × 10−5Rpipe = 1n (r2 / r1) 2πKpipe = 1n (12,98 / 12,5) (2π) (45) = 13,33 × 10−5Rins = 1 n (r3 / r2) 2πKins = 1n (17,98 / 12,98) (2π ) (0,06) = 0,865 Rair = 1 (hc воздух) (A) = 1 (9) (π) (0,369) = 0,096 Rtotal = 0,96.

Поскольку через каждое тепловое сопротивление проходит одинаковое количество тепла,

Ts − TambientRtotal = Tins − TambietRair260−200,96 = Tins − 200,096 = 44 ° C (111 ° F).

А, начиная с

Q = ΔTR = 260−200.962 = 50 Вт / м,

, мы можем вычислить годовые потери тепла для 30 м и 8760 часов в год как:

E = (250) (30) (8760) (3600) = 236 ГДж / год.

Видно, что это около 5 процентов потерь в голой линии, показанных на Рисунке 9.8.

ГВС.

Нагревание и транспортировка воды и других жидкостей требует использования энергии для повышения температуры воды, компенсации потерь тепла в трубопроводах, повышения давления жидкостей и преодоления сопротивления потоку жидкости в трубопроводах.

Подвод тепла, необходимого для повышения температуры жидкости, определяется выражением

(9,4) Ein = mCp (Tf − Ti),

, где

E _дюйм = подводимая энергия, джоули

м = масса, кг

C _p = удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж / кг ° C

T _f = конечная температура, ° C

T _i = начальная температура, ° C.

Мощность, необходимая для перемещения несжимаемой жидкости через внешнюю систему трубопроводов, равна

Мощность накачки = (массовый расход) (работа на единицу массы).

Это можно переписать как:

(9,5) pp = m˙ (ΔPρi) ватт,

, где

pp = мощность накачки, ватт

m˙ = массовый расход, кг / сек

Δ P = падение давления в системе, Н / м ²

ρ _i = плотность жидкости на входе в насос, кг / м ³ .

Или, в более удобной форме, мощность, затрачиваемая на перекачивание жидкости, связана с перекачиваемым объемом:

(9,6) ppV˙ΔP Вт,

, где теперь

V˙ = откачиваемый объем, м3 / с

Падение давления зависит от системы (трубы, каналы, отверстия, изгибы и т. Д.) И должно определяться для каждого случая. В случае круглых труб он определяется следующим уравнением:

(9,7) ΔP = fρ¯v2L2De Nm2,

, где

f = коэффициент трения (безразмерный)

ρ¯ = средняя плотность, кг / м ³

v = скорость, м / с

L = длина трубы, м

D _e = диаметр трубы, м .

Потери из-за изгибов, увеличения и сжатия, а также клапанов и фитингов аналогичным образом пропорциональны квадрату скорости.

Для несжимаемых жидкостей объемный расход V˙ связан со скоростью v следующим образом:

V˙ = A⋅v м3 / сек

решение,

v2 = V˙2A2.

Подставляя эти результаты в уравнение для мощности накачки, получаем:

(9,8) pp = V˙3fρ¯L2A2Dewatts.

Это показывает, что после фиксированного размера трубы мощность, необходимая для откачки , увеличивается на как куб объемного расхода.И наоборот, для фиксированного расхода мощность откачки уменьшается на пропорционально пятой степени диаметра.

Для широкого диапазона чисел Рейнольдса f = 0,022 для чистой стальной трубы промышленного назначения. Это справедливо как для американских / британских единиц, так и для единиц СИ, поскольку f — безразмерное отношение, имеющее единицы длины / длины. Если используются американские / британские единицы измерения, коэффициент преобразования ( г, = 32,2 фут / сек ² ) должен быть вставлен в знаменатель уравнения мощности накачки.

Падение давления для полных трубопроводных систем требует определения потерь во всех компонентах. Это можно сделать приблизительно с помощью таких данных, как рисунок 9.9, на котором сопротивление потоку типичных фитингов преобразуется в эквивалентные длины трубы.

Рис. 9.9. Падение давления и жидкостное трение.

На этой диаграмме показаны эквивалентные сопротивления различных фитингов и форм в трубах и воздуховодах, выраженные в эквивалентных футах прямогонных труб или воздуховодов.

Источник: любезно предоставлено Crane Company.

Приведенные выше уравнения также можно использовать для оценки падений давления для потока сжимаемой жидкости, когда падение давления и изменения температуры не вызывают больших изменений плотности (скажем, менее 5-10 процентов). В противном случае следует произвести более точные расчеты.

Относительную важность этих величин можно проиллюстрировать на примере расчета

Пример.

Проблема. Найдите мощность, необходимую для нагрева, создания давления и перекачки 3,1 × 10 ^–3 м ³ / сек воды через 2-дюймовую систему трубопроводов.Падение давления в трубопроводной арматуре и клапанах эквивалентно длине трубы, в два раза превышающей длину участка трубопровода.

e = 0,051 м (2 ″)

Данные
L = 1000 м (3280 футов)	V˙ = 3,1 × 10 −3 м 3 / сек
P начальный = 100 кН / м 2
ρ¯ = 1000 кг / м 3	P конечный = 600 кН / м 2
v = 1.5 м / с	T начальная = 20 ° C
C p = 4180 Дж / кг ° C	T конечная = 60 ° C

Расчеты

Для нагрева воды:

Q = m˙ cp (Tf − Ti) = (3,1) (4,180) (60−20) = 518 кВт.

Для повышения давления:

pp1 = V˙ (Pf − Pi) = (3,1 × 10−3) (600−100) × 103 = 1,55 кВт.

Для преодоления перепадов давления:

ΔP = fρ¯v2L / 2 De = (0.022) (1000) (2,25) (1000 + 2,000) (2) (0,051) = 1,46 × 106 Н / м2pp2 = (3,1 × 10–3) (1,46 × 106) = 4,53 кВт.

Общая мощность откачки:

ppt = pp1 + pp2 = 6,08 кВт.

Предположим, что насос имеет КПД 81 процент; тогда необходимая входная мощность составляет ~ 7,5 кВт (10 л.с.), что составляет менее 2 процентов от общей входной мощности. В этом примере очевидно, что главной целью управления энергопотреблением должно быть сокращение тепловых потерь или рекуперация тепла.

Потери в системах горячего водоснабжения можно уменьшить, выполнив следующие действия:

•

Уменьшите настройки термостата

•

Закройте открытые резервуары

•

Изолируйте резервуары и трубы

Основным источником потерь в системах горячего водоснабжения являются резервные потери, которые возникают, когда резервуары постоянно поддерживаются при повышенных температурах.

Рекуперация тепла — еще один полезный метод. Отработанное технологическое тепло (например, охлаждающая вода холодильного компрессора) часто можно использовать для нагрева или предварительного нагрева воды, как показано в следующем примере:

Пример.

В промышленном здании есть электрический бак для нагрева воды для бытовых нужд емкостью 760 л (200 галлонов) (Рисунок 9.10 (A)). Средняя потребность в горячей воде составляет около 700 л / час при 50 ° C. Измерения показали, что водонагреватель потребляет около 27,5 кВт летом и 40 кВт.7 кВт зимой. Температура воды на входе от 4 до 18 ° C.

Рис. 9.10. Рекуперация тепла от компрессора холодильной системы.

В том же здании находится поршневой чиллер мощностью 40 тонн (140 кВт) — 140 кВт эквивалентна теплоте сгорания 40 тонн — с двигателем компрессора мощностью 37 кВт (50 л.с.). Тепло, доступное от конденсационной установки, равно теплу, отведенному от здания (40 тонн или 140 кВт), плюс теплоту компрессора, насосов и другого оборудования.Если чиллер работает с максимальной нагрузкой, можно увидеть, что она равна или превышает 140 + 37 = 177 кВт (рисунок 9.10 (B)).

Поскольку средняя мощность, необходимая для нагрева воды, составляет 34 кВт, даже если чиллер работает с половинной нагрузкой, он отбрасывает в три раза больше тепла, чем требуется для нагрева воды.

Холодильный цикл фреона-22 имеет следующие температуры:

C Переохлаждение в конденсаторе

Испарение	2 ° C
Конденсация	40 ° C
Перегрев в испарителе
3 ° C

Цикл показан на рисунке 9.11. Поскольку требуется горячая вода при 50 ° C, а температура на выходе хладагента составляет 71 ° C, рекуперация тепла от хладагента в зоне перегрева является достаточной для обеспечения требуемых температур.

Рис. 9.11. Схема хладагента и цикл хладагента конденсаторной установки.

Источник: любезно предоставлено Anco Engineers, Inc.

Для рекуперации тепла можно рассмотреть несколько подходов:

•

Установите теплообменник в бак с горячей водой и пропустите через него горячий хладагент перед тем, как попасть в конденсатор.

•

Используйте второй бак для предварительного нагрева горячей воды с помощью теплообменника, нагреваемого хладагентом.

•

Используйте второй бак, теплообменник и рециркуляционный насос.

Этот третий подход был выбран как лучший способ оптимизации рекуперации тепла с переменной нагрузкой на горячую воду. Система рекуперации тепла с ручным управлением схематически изображена на рисунке 9.12. Обратите внимание, что также может быть разработан альтернативный подход с автоматическим управлением.

Рис. 9.12. Рекуперация тепла от компрессорно-конденсаторного агрегата.

Источник: любезно предоставлено Anco Engineers, Inc.

Стоимость этой системы была оценена следующим образом:

Механическое оборудование
(трубопроводы, теплообменник, клапаны, резервуар) ……………….	$ 8 600
Органы управления и электрические …………………………	1,900
Разное (модификации здания) ……………… ..	3,900
Инжиниринг и расходы подрядчика …………………….	10,600
ИТОГО …………	25000 долларов

Экономия оценивается в

(32-1 кВт) (8,760 часов в год) (0,06 доллара США / кВт · ч) = 17 345 долларов США. / год

(В приведенной выше оценке 32 кВт были средней нагрузкой круглый год, 24 часа в сутки.) Это дает простую окупаемость в 1,4 года. Обратите внимание, что была сделана поправка примерно на 1 кВт мощности, используемой системой рекуперации тепла. (См. Главу 12 для более подробного экономического анализа этого примера.)

Потери в насосной системе можно уменьшить за счет снижения давления в системе, уменьшения потерь на трение и устранения утечек. Основные возможности управления энергопотреблением можно резюмировать следующим образом:

•

Снижение давления в системе

•

Снижение потерь на трение (увеличение размера трубы, удаление редукционных клапанов)

•

Устранение утечек

•

Используйте резервуары для хранения или аккумуляторы, чтобы насосы можно было отключать на время работы или работать в непиковое время

•

Рециркуляция или повторное использование воды

Обычной практикой является подача воды под необходимым давлением чтобы выдержать самую высокую нагрузку давления.Альтернативный подход, который иногда позволяет экономить энергию, — это подача воды под давлением, необходимое для большей части нагрузки, и обеспечение подкачивающих насосов для нагрузок с высоким давлением.

Печи и печи с прямым и косвенным обогревом.

По оценкам, почти 50 процентов всей энергии, используемой в Соединенных Штатах, идет на технологический процесс или обогрев помещений (см. Ссылку 1, Глава 10, стр. 342).

Печи и печи с прямым нагревом полагаются на нагрев непосредственно продуктами сгорания (топливо) или электрическими нагревательными элементами.В печах косвенного нагрева используется теплообменник определенного типа для передачи тепла от источника тепла к процессу.

Существует три основных подхода к управлению эффективным использованием технологического тепла. Это:

•

Уменьшение потерь тепла

•

Использование более эффективного оборудования и процессов

•

Утилизация тепла

Уменьшение потерь.

Снижение тепловых потерь может быть достигнуто за счет теплоизоляции или улучшенных конструкций.Как правило, экономически оптимальное количество изоляции для печей, печей и труб зависит от диапазона температур и затрат на топливо, поэтому невозможно дать простое практическое правило. Каждый случай обычно необходимо анализировать по существу.

Одним из полезных подходов является рассмотрение анализа на основе единицы площади. Рассмотрим печь или резервуар, которые при нормальных условиях эксплуатации теряют 3,5 кВт / м ² из-за своих неизолированных стенок. Анализ показывает, что это может быть уменьшено до 0,7 кВт / м ² , если 2.Добавляется 5 см утеплителя из минеральной ваты. Затраты на электроэнергию составляют 5,00 долларов США / ГДж (~ 4,73 доллара США / МБТЕ), а годовая эксплуатация составляет 2000 часов в год. Требуется годовая окупаемость. Анализ показывает:

Энергопотери без изоляции:

(3,5 кВт / м2) (2000 ч / год) (0,6 × 106 Дж / кВтч) = 25,2 ГДж / м2⋅год.

Энергопотери с изоляцией:

(3,7 кВт / м2) (2000 ч / год) (3,6 × 106 Дж / кВтч) = 5,04 ГДж / м2⋅год.

Энергосбережение:

25,2−5,4 = 20,16 ГДж / м2⋅год.

Экономия затрат:

(20.16 ГДж / м2⋅год) (500 $ / ГДж) = 100,80 $ / год.

Следовательно, если установленная стоимость изоляции равна или меньше 100 $ / м ² , окупаемость составляет один год.

Другие формы тепловых потерь, которые следует оценивать, включают:

•

Тепло, поглощаемое работой или продуктом и теряемое при охлаждении работы

•

Тепло, поглощаемое вспомогательным оборудованием (конвейерами, лотками, и т. д.)

•

Тепловые потери в трубах или вне помещения

Более эффективное оборудование.

Более эффективные конструкции оборудования обычно требуют улучшенной теплопередачи, хотя иногда другой процесс (например, микроволновый нагрев) приводит к экономии. Потенциальных возможностей так много, что перечислить их здесь невозможно. Достаточно сказать, что общий подход должен заключаться в тщательном изучении конкретных потребностей процесса, а затем в попытке обеспечить тепло только тогда и там, где его использование необходимо.

Примеры этого подхода могут включать использование погружных нагревателей для резервуаров, а не недожиг, или использование индукционного нагрева вместо печей.Оба этих подхода концентрируют тепло в продукте и снижают вероятность внешних тепловых потерь. Другой пример — струйный нагрев , распространенный в европейской металлургии. Это позволяет теплу напрямую попадать на нагреваемый объект, тем самым проникая через поверхностный пленочный барьер и повышая эффективность теплопередачи. ⁽⁴⁾

Экономия тепла в процессе также является результатом преобразования периодических процессов в непрерывную работу. Это позволяет экономить топливо за счет исключения или сокращения периодов нагрева и охлаждения.Часто повышается и производительность. Например, одна компания заменила группу печей периодического действия на печь с шагающими балками, работающую на газе, и обнаружила, что новая печь работает с на 20 процентов меньше топлива и имеет производительность в 2,5 раза больше. Это также привело к экономии рабочей силы, поскольку для работы нового агрегата требовалось всего два человека (а не десять). ⁽⁴⁾

Избыточный воздух подается в духовки определенных типов для разбавления отработанного воздуха. Например, в сушильных шкафах для сушки растворителем воздух вводится для создания воздушно-газовой смеси, которая ниже нижнего предела взрываемости (НПВ).Многие печи используют чрезмерное количество разбавляющего воздуха, тем самым тратя впустую тепло и топливо.

Типичная промышленная практика заключается в работе в диапазоне концентраций до 25 процентов нижнего предела взрываемости. При автоматическом управлении возможна работа до 50 процентов пределов НПВ. Многие печи, которые используются сегодня, работают ниже 25 процентов нижнего предела взрываемости и могут работать до 5 процентов нижнего предела взрываемости. Это примерно в четыре раза больше фактически необходимого избыточного воздуха или примерно в два раза больше фактического потребления энергии. ⁽⁴⁾

Рекуперация тепла.

Рекуперация тепла — важный инструмент для энергоменеджера. Возможный список приложений для этого метода слишком велик, чтобы включать его здесь, но репрезентативные примеры проиллюстрируют возможности.

•

Рекуперация тепла из вытяжного воздуха здания с помощью обратных систем

•

Рекуперация тепла молока на молочных предприятиях с помощью тепловых насосов

•

Рекуперация тепла охлаждающей воды воздушного компрессора и подогрев горячей воды с его помощью

•

Рекуперация тепла из конденсата пара и его использование для подогрева питательной воды

•

Рекуперация тепла от чиллеров и использование для горячей воды или отопления помещений

Переменные, определяющие возможность рекуперации тепла включает стоимость тепла, когда оно доступно, стоимость установки и способы использования тепла.Типичное использование рекуперированного тепла включает горячую воду, технологическое тепло, обогрев помещений, сушку и предварительный нагрев топлива или материалов. Иногда рекуперация тепла приводит к другим экономическим эффектам, например, к сокращению работы вентилятора или насоса или к сокращению работы градирни. В этой главе приводится несколько примеров рекуперации тепла.

Тепло часто можно рекуперировать из горячих технологических потоков, выхлопных газов или дымовых труб. Часто теплообменное оборудование является критически важным элементом, в зависимости от диапазона температур и коррозионной активности горячих стоков.Выбор оптимального размера системы рекуперации тепла включает балансирование затрат на оборудование по сравнению с выгодой от рекуперации еще большего количества тепла. Более подробно это обсуждается в ссылке 1 и проиллюстрировано несколькими тематическими исследованиями.

Основы — Предпочитаемый пироскоп

Введение

Добро пожаловать в серию блогов Combustion от Preferred Utilities Manufacturing Corporation. Чтобы прочитать вводный пост, нажмите здесь.

Эта серия статей была вдохновлена ​​местным законом 87, постановлением об охране окружающей среды, принятым законодательными органами Нью-Йорка.LL87 стремится сократить выбросы в городе на 50% при одновременном повышении общей эффективности больших жилых зданий (более 50 000 кв. Футов брутто).

В связи с тем, что дополнительные государственные и местные органы власти вводят аналогичные экологические нормы в Соединенных Штатах, проектирование и теория систем сгорания сейчас важнее, чем когда-либо.

Независимо от того, являетесь ли вы владельцем здания, оператором завода, проектировщиком или системным инженером, эта серия блогов поможет вам принимать обоснованные решения по своим проектам, особенно в том, что касается LL87 и подобных ему законов.

Почему нас слушают?

Потому что мы занимаемся сжиганием с 1920 года. Наши роторные горелки, изобретенные в 1960-х годах, все еще работают по всему Нью-Йорку — почти полвека спустя.

Но с тех пор мы многому научились.

Мы не похожи на многие другие производители горелок. Мы не срезаем углы. Наши продукты не непрочные и не дешевые. Они продолжаются. И они выступают.

Сверхнизкие выбросы. Высокая эффективность. Высокий поворот вниз.Повышенная долговечность. Мы достигли этих отметок, потому что верим в то, что делаем. Мы любим горение. Мы любим делать это правильно.

Если это похоже на вас, то продолжайте читать.

Основы

Наиболее распространенным промышленным топливом являются углеводороды. Это означает, что они преимущественно состоят из углерода и водорода. В таблице 1 перечислены некоторые распространенные виды топлива и даны типичные значения содержания водорода и углерода в процентах по массе. Обратите внимание, что помимо водорода и углерода есть и другие компоненты.Некоторые из них, такие как сера, горючие и вносят вклад в тепло, выделяемое топливом. Другие компоненты негорючие и не вносят положительной энергии в процесс сгорания.

Таблица 1

Химия

В таблице 2 представлены основные химические уравнения, которые представляют наиболее распространенные реакции горения. Обратите внимание, что азот (N2) показан с обеих сторон уравнений. За исключением образования NOx (в миллионных долях) азот не вступает в реакцию в процессе горения.При расчете размеров вентилятора и стехиометрии необходимо учитывать азот. Каждый атом углерода в топливе соединяется с двумя атомами кислорода (или одной молекулой O2) из ​​атмосферы с образованием одной молекулы CO2. В пересчете на вес на каждый фунт углерода требуется 2,66 фунта кислорода для полного сгорания, что приводит к образованию 3,66 фунта диоксида углерода.

Таблица 2 Каждая пара атомов водорода (или каждая молекула h3) соединяется с одним атомом кислорода (или половиной молекулы O2) с образованием одной молекулы h3O или воды.В пересчете на вес на каждый фунт водорода требуется 7,94 фунта кислорода для полного сгорания, в результате чего получается 8,94 фунта воды.

В цифрах

Воздух, которым мы дышим, содержит всего около 21% кислорода по объему. Для всех практических целей оставшиеся 79% составляют азот. Поскольку кислород немного тяжелее азота, весовые проценты несколько отличаются. Массовая доля кислорода составляет 23%, а остальные 77% составляют азот. Таким образом, требуется около 4.35 фунтов воздуха для доставки одного фунта кислорода. В таблице 3 представлен состав воздуха.

Таблица 3 Типичный галлон мазута № 6 весит 8 фунтов и содержит 87% углерода и 12% водорода (недостающий процент — сера, зола, вода и отложения). Этот галлон содержит 6,95 фунта углерода и 0,96 фунта водорода. Из данных, представленных ранее, мы можем вычислить, что 18,49 фунтов кислорода необходимо для сжигания углерода и 7,62 фунтов кислорода необходимо обеспечить для сжигания водорода в этом галлоне мазута.Это представляет собой общую потребность в 26,11 фунта кислорода. Поскольку воздух содержит всего 23% кислорода по весу, потребуется 113,5 фунтов воздуха (26,1 ÷ 0,23) для полного и идеального (0% избытка воздуха) сгорания этого галлона топлива. Предполагая, что на фунт приходится 13 кубических футов воздуха, для сжигания каждого галлона топлива требуется 1476 кубических футов воздуха. Горелке на 50 галлонов в час (около 200 л.с. котла) потребуется около 74 000 кубических футов воздуха в час (или 1230 стандартных кубических футов в минуту) без учета избытка воздуха.

Реальный мир

Однако в реальном мире для процесса сгорания всегда должно подаваться больше воздуха, чем теоретическая или стехиометрическая потребность в воздухе. Это потому, что ни одна горелка не является такой «идеальной». Этот «лишний» воздух называется «избыточным воздухом». Если подается на 20% больше, чем теоретическая потребность в воздухе, мы говорим, что горелка работает с 20% избытком воздуха. Другой способ сказать то же самое — сказать, что горелка работает с общим объемом воздуха 120%.”

Для полного сгорания одного галлона мазута № 6 с 20% избытком воздуха потребуется 136 фунтов воздуха. Горелка на 50 галлонов в час фактически потребует около 90 000 кубических футов воздуха в час.

Для любой конкретной комбинации горелки и котла существует идеальный уровень «минимального избытка воздуха» для каждой мощности горения в диапазоне регулирования. Большие потоки воздуха будут тратить топливо из-за увеличения массового потока горячих газов, покидающих дымовую трубу. Меньшее количество воздуха приведет к потере топлива, потому что топливо не сгорит полностью.Как правило, горелки требуют гораздо большего количества избыточного воздуха при работе с минимальной мощностью горения, чем при «сильном пламени». В таблице 4 показано типичное соотношение между процентной интенсивностью сжигания и избыточным воздухом, необходимым для обеспечения полного сгорания топлива. Во многих случаях, даже несмотря на то, что температура дымовой трубы может снизиться при слабом воспламенении, снижается эффективность, поскольку большая часть энергии топлива теряется на нагрев этого избыточного воздуха.

Таблица 4

Другие публикации из этой серии:

• Понимание местного законодательства 87 — и ему подобных
• Теория горения: основы
• Теория горения: переменные — Учет изменений содержания кислорода и топлива
• Теория горения: КПД — Расчет КПД и потерь
• Теория горения: FGR — Узнайте, как рециркуляция дымовых газов снижает выбросы NOx
• Теория горения: Органы управления горением — Узнайте, как передовые технологии могут сократить выбросы
• Системы сгорания: конструкция — Основные принципы, которым следует следовать при проектировании системы сгорания
• Системы сгорания: Устранение неисправностей: Неисправности горелки и их причины
• Контроль горения: стратегии — Связь vs.Без связи, и почему вам это должно быть интересно

Стехиометрическое сгорание

Стехиометрическое или теоретическое сгорание — это идеальный процесс сгорания, при котором топливо сгорает полностью.

Полное сгорание — это процесс сжигания всего углерода (C) до (CO ₂ ), всего водорода (H) до (H ₂ O) и всей серы (S) до (SO ₂ ).

Если в выхлопном газе присутствуют несгоревшие компоненты, такие как C, H ₂ , CO, процесс сгорания не завершен и не стехиометрический.

Процесс горения может быть выражен:

[C + H (топливо)] + [O ₂ + N ₂ (Воздух)] -> (Процесс горения) -> [CO ₂ + H ₂ O + N ₂ (Тепло)]

где

C = Углерод

H = Водород

O = Кислород

N =

N =

Для определения избытка воздуха или избытка топлива для системы сгорания мы начинаем со стехиометрического воздуха -топливного отношения .Стехиометрическое соотношение — это идеальное соотношение топлива при правильном соотношении химического состава. При сгорании всего топлива и воздуха расходуется без остатка .

Оборудование для технологического нагрева редко используется таким образом. «Нормальное» сжигание , используемое в котлах и высокотемпературных технологических печах, обычно включает небольшое количество избыточного воздуха — примерно на 10-20% больше, чем необходимо для полного сжигания топлива.

Если в горелку подается недостаточное количество воздуха, из котла выходит несгоревшее топливо, сажа, дым и окись углерода, что приводит к загрязнению поверхности теплопередачи, загрязнению, снижению полноты сгорания, нестабильности пламени и потенциалу взрыва .

Во избежание неэффективных и небезопасных условий котлы обычно работают с избыточным воздухом. Этот избыточный уровень воздуха также обеспечивает защиту от недостаточного количества кислорода, вызванного изменениями в составе топлива и «рабочими перебоями» в системе управления топливом и воздухом. Типичные значения избыточного воздуха указаны для различных видов топлива в таблице ниже.

• , если содержание воздуха выше стехиометрического соотношения — смесь называется обедненная
• , если содержание воздуха меньше стехиометрического соотношения — смесь богатая топливом

Пример — стехиометрический Сжигание метана — CH

₄

Самый распространенный окислитель — воздух.Химическое уравнение стехиометрического горения метана — CH ₄ — с воздухом может быть выражено как

CH ₄ + 2 (O ₂ + 3,76 N ₂ ) -> CO ₂ + 2 H ₂ O + 7,52 N ₂

Если подается больше воздуха, часть воздуха не будет участвовать в реакции. Дополнительный воздух обозначается как избыточный воздух , но также можно использовать термин теоретический воздух . 200% теоретического воздуха — это 100% избыток воздуха.

Химическое уравнение для метана, сжигаемого с 25% избытком воздуха, может быть выражено как

CH ₄ + 1,25 x 2 (O ₂ + 3,76 N ₂ ) -> CO ₂ + 2 H ₂ O + 0,5 O ₂ + 9,4 N ₂

Избыточный воздух и O

₂ и CO ₂ в дымовых газах

Приблизительные значения для CO ₂ и O ₂ дюймов количество дымовых газов в результате избытка воздуха оценивается в таблице ниже:

Избыточный воздух %	Двуокись углерода — CO 2 — в дымовых газах (% объема )					Кислород в дымовых газах Газ для всех видов топлива (% объема )
	Природный газ	Пропан Бутан	Мазут	Битуминозный уголь	Антрацит Уголь
0						5	18	20	0
20	10,5	12	13,5	15,5	16,5	3
			903	14	5
60	8	9	10	12	12,5	7,5
80	7		5	9
100	6	6	8	9,5	10	10

СГОРАНИЕ

СГОРАНИЕ

Горение относится к быстрому окислению топлива, сопровождаемому производство тепла или тепла и света. Полный сгорание топлива возможно только при наличии достаточного количества кислорода.

Примерно От 1600 до 2000 кубических футов воздуха требуется для сжигания одного галлона мазута № 2 на 80%. эффективность (на уровне моря).Около 15 куб. футов воздуха требуется для сжигания одного кубического фута природного газа с эффективностью 75% (в море уровень).

Кислород (O ₂ ) является одним из самые распространенные элементы на Земле, составляющие 20,9% нашего воздуха. Быстрое окисление топлива приводит к выделению большого количества тепла. Твердое или жидкое топливо необходимо заменить на газ. прежде, чем они сгорят. Обычно тепло бывает требуется для превращения жидкостей или твердых тел в газы. Топливо газы будут гореть в своем нормальном состоянии при наличии достаточного количества воздуха.

Большая часть 79% воздуха (это не кислород) — азот со следами других элементов. Азот считается разбавителем, понижающим температуру, который должен присутствовать для получения кислород, необходимый для горения.

Азот снижает эффективность сгорания поглощая тепло от сгорания топлива и разбавляя дымовые газы. Это уменьшает тепло, доступное для передачи через поверхности теплообмена. Это также увеличивает объем побочных продуктов сгорания, которые затем должны проходить через тепло теплообменник и вверх по дымовой трубе быстрее, чтобы обеспечить подачу дополнительного топливного воздуха смесь.

Этот азот также может сочетаться с кислород (особенно при высоких температурах пламени) с образованием оксидов азота (NO _x ), которые являются токсичными загрязнителями — подробнее об этом позже.

Воздух для горения делится на четыре типа в зависимости от от ее роли и конструкции конкретной горелки. Воздух будет обозначаться в этом руководстве и на семинаре как первичный , вторичный , избыточный и разбавленный воздух.

• Первичный воздух обеспечивает процентное сгорание воздух, но, что более важно, контролирует количество топлива, которое можно сжечь.

• Вторичный Воздух улучшается эффективность сгорания за счет полного сгорания топлива. Для мощных горелок обычно не требуются вторичные воздух. Однако воздух просачивается через дверцы доступа / очистки, монтажные фланцы горелки, секции котла и т. д., разбавляет пламя и температуры дымовых газов, снижая эффективность работы, а также нашу способность точно контролировать условия горения.

• Избыточный воздух есть подается в процесс сгорания, чтобы гарантировать, что каждая молекула топлива полностью окружена достаточным количеством воздуха для горения. Как горелка настройка улучшает скорость, с которой происходит перемешивание, количество необходимого избыточного воздуха может быть уменьшенный.

• Разбавляющий воздух шт. не участвовать напрямую в процессе горения и в первую очередь требуется, чтобы попытаться контролировать тягу дымовой трубы и снизить вероятность того, что влага в дымовых газах будет конденсат в вентиляционной системе — что напрямую влияет на забор воздуха для горения, безопасность и эффективность.

Куда уходит бензин? | Обсерватория национальной критической зоны

Взглянем на один из источников углекислого газа: бензин

.

В 2017 году в США мы сжигали 391 миллион галлонов бензина в день.Это больше, чем галлон на человека в день. Каждый галлон весит около шести фунтов, из которых около 5,5 фунтов составляет углерод. Если вы заправляете в бак десять галлонов в неделю, это означает, что вы каждую неделю заправляете машину 60 фунтами бензина, и каким-то образом в конце недели этого бензина нет. Куда оно девается?

Этот пост расскажет историю галлона бензина в контексте более крупных энергетических и климатических систем. Он предназначен для того, чтобы поразить вас, напугать до чертиков и дать вам надежду и смелость действовать, чтобы сделать пугающие вещи менее пугающими.

Этот пост основан на выступлении, которое доступно на YouTube и встроено в нижнюю часть поста. Ссылки на слайды доклада также размещены внизу сообщения.

Цель этого поста не только в бензине и углекислом газе. Это также предназначено для лучшего понимания того, почему углеродный цикл и связывание углерода так важны. Такое улавливание является одним из многих социальных преимуществ (услуг), предоставляемых Критической зоной Земли.

Рассмотрим масштаб

Чтобы понять эти проблемы и понять, почему они важны, полезно иметь хорошее представление о масштабе — действительно больших и очень маленьких чисел.Многие из нас умеют считать, но не обладают интуитивным чувством масштаба.

Какое место занимает тысяча, миллион и миллиард на этой числовой прямой с конечными точками, равными нулю и триллиону?

Если вы учитель, попробуйте это со своими учениками.Если вы не учитель, относитесь к этому как к умственному упражнению для себя:

1. Поместите стикер с надписью «ноль» в один из углов передней стены вашего класса.
2. В углу на другом конце передней стены поместите стикер с надписью «один триллион».
3. Раздайте студентам стикеры и попросите их пометить их: Одна тысяча, Один миллион и Один миллиард
4. Затем попросите их разместить их там, где, по их мнению, они должны быть на стене между нулем и одним триллионом.

Как вы думаете, что они будут делать? Что им делать? Сделайте паузу и подумайте об этом.

Скорее всего, они разнесут липучки по первой трети или половине расстояния от нуля до одного триллиона. Но это не так; все стикеры принадлежат первой одной тысячной дистанции! Хотя многие из нас осознают это, когда останавливаются и думают, люди склонны думать о миллионах, миллиардах и триллионах просто как о действительно больших числах. Масштаб имеет значение.

У большинства из нас, вероятно, есть чувство тысячи. Компьютер, которым я сейчас пользуюсь, стоит около тысячи долларов. Возможно, вы ходили в среднюю школу, в которой учится около тысячи учеников.

Большие числа сложнее понять

Каждое из названных чисел в тысячу раз больше предыдущего. Миллион — это тысяча тысяч. Миллиард — это тысяча миллионов. А триллион — это тысяча миллиардов. Полезно думать о секундах:

Тысяча секунды — это примерно 17 минут.
Миллион секунд составляет около 12 дней.
Миллиард секунд — это примерно 32 года.
Триллион секунды — это примерно 32000 лет.
Homo sapiens (нас!) Существует уже около 10 триллионов секунд.

Имейте все это в виду, поскольку мы считаем, что обсуждаемый здесь галлон бензина — один из 390 миллионов, сжигаемых в среднем в день в США.

Вернемся к галлону бензина…

Опять же, галлон бензина весит около шести фунтов, поэтому, если вы сжигаете 10 галлонов в неделю, вы сжигаете 60 фунтов в неделю. Что с этим будет?

Мы знаем, что материю нельзя ни создать, ни уничтожить, ее можно только изменить по форме. Чтобы понять эту трансформацию, нам нужно больше узнать о том, что такое бензин на самом деле.

Бензин — это сложная химическая смесь, состоящая из множества различных соединений. Его получают путем переработки нефти, которая также известна как сырая нефть или просто «нефть».»Petrolieum — это ископаемое топливо. Оно образовалось, когда водоросли и другие одноклеточные организмы осели на дне древних морей, были захоронены, уплотнены и подвергались воздействию тепла и давления в течение миллионов лет. Природный газ образовывался почти таким же образом. . Процесс образования угля аналогичен, но уголь образовался в результате захоронения и разложения растений в заболоченных районах на суше, а не в море. Образование угля происходило в критической зоне.

Точный химический состав бензина варьируется от галлона к галлону, в зависимости от происхождения масла, присадок и т. Д.Но, в среднем, его химический состав C ₈ H ₁₈ . Если вы знакомы с химией, вы можете распознать это как углеводород и, возможно, знаете его имя или сможете понять его, зная, что это углеводород с 8 атомами углерода — и вы, возможно, видели его название на бензонасосах: октан .

Что вы получаете, когда сжигаете октан? Двуокись углерода (CO ₂ ) и вода (H ₂ O). И, конечно же, энергия.

Сжигание октана

Приведенная ниже 30-секундная анимация горения октана (C ₈ H ₁₈ ) показывает молекулы кислорода и октана, распадающиеся на части и рекомбинирующие в воду и углекислый газ:

Ого, полученный газ тяжелее бензина?

Полученный углекислый газ (CO ₂ ) и вода (H ₂ O) весит больше, чем бензин, с которым мы начали! Это потому, что в реакции использовался кислород из воздуха, а не только бензин.Сжигание 6-фунтового галлона бензина дает 19 фунтов CO ₂ ! Ура, это прибавка в весе более чем на 300%!

Сколько нужно воздушных шаров, чтобы удержать 19 фунтов углекислого газа?

Галлон бензина довольно легко представить. И не кажется странным думать, что он весит шесть фунтов. Но девятнадцать фунтов невидимого газа, такого как углекислый газ, понять немного сложнее.

Надутый воздушный шар весит больше, чем пустой, потому что воздух (или другой газ) внутри действительно что-то весит.

Что вы думаете?

Сколько нужно воздушных шаров размером в галлон, чтобы удерживать 19 фунтов углекислого газа?

Если можете, возьмите воздушный шар. Если нет, используйте свое воображение. Держите его пустым и подумайте, сколько он весит. Заполните его примерно до размера кувшина на галлон. Подумайте, сколько он сейчас весит.

Он ведь не очень-то весит? Какие вещи весят около 19 фунтов? Размышляя над этим, помните, что вы просто учитываете вес газа внутри воздушных шаров и должны вычесть вес самих шаров.

Вот и ответ …

… около 1100 галлонов воздушных шаров!

Выбросы углекислого газа от сжигания одного 6-фунтового галлона бензина весят около 19 фунтов и имеют объем около 1100 галлонов (около 150 кубических футов) в атмосфере.

Наши выбросы углерода в сумме составляют

на самом деле быстро

Помните, что американцы сжигают 391 миллион галлонов бензина в день.

Это более 7 миллиардов фунтов CO ₂ , производимых каждый день только при сжигании бензина. Это только в США.

Гм, вау.

Галлон бензина на 87% состоит из углерода по весу. Это означает, что в галлоне газа содержится около 5,5 фунтов углерода.

Визуализация углерода в форме графита

На приведенной ниже анимации показано, сколько углерода содержится в галлоне бензина, на примере графита.Графит — это чистый углерод. Галлон бензина содержит 5,5 фунтов углерода — эквивалент блока графита размером 6 x 6 x 2 дюйма. Четверть монеты США указана для шкалы.

Сколько древесины нужно вырастить, чтобы убрать углерод от сжигания галлона бензина обратно из воздуха?

Древесина на 45-50% состоит из углерода. Итак, нужно вырастить 11 фунтов древесины, чтобы изолировать каждый галлон бензина, который мы сжигаем.

Гм, вау… опять таки.

И нельзя позволять ему гореть или разлагаться. Стандартный 8-футовый 2×4 весит 11 фунтов. (8 футов 2х4, пожалуй, самый распространенный кусок пиломатериала).

Автор фото с 8 ‘2×4.

И сколько древесины нужно выращивать в США в год, чтобы изолировать наш бензин?

Нам нужно вырастить дрова 2х4 на каждый из 390 миллионов галлонов бензина, которые мы сжигаем каждый день.

390 миллионов изображений 2×4 в день.

11 фунтов x 390 миллионов = 4 290 000 000 фунтов древесины каждый день.

Это более 1,5 триллиона фунтов в год.

Вот это да.

Помните, что на самом деле означает триллион. (Если нужно, вернитесь к началу этого поста).

Не забывайте и об угле, и о природном газе

Эти «1,5 триллиона фунтов древесины в год» предназначены только для того, чтобы изолировать наш бензин; мы также сжигаем около 2 миллионов тонн (4 миллиарда фунтов) угля в день.Химия и математика похожи.

Кроме того, в день мы сжигаем около 75 000 миллионов кубических футов природного газа. Хотя природный газ производит меньше CO ₂ на единицу энергии по сравнению с другими ископаемыми видами топлива, он по-прежнему дает около 4000 тонн (8 миллионов фунтов CO ₂ ) в течение обычного дня. А основной компонент природного газа, метан (CH ₄ ), является мощным парниковым газом, который просачивается в атмосферу по трубопроводу.

Выбросы углекислого газа от транспорта в основном связаны с сжиганием бензина, дизельного топлива и авиационного топлива.Выбросы от сжигания дизельного топлива и реактивного топлива немного выше на галлон бензина — более 21 фунта на галлон.

На сжигание этого жидкого транспортного топлива приходится около четверти общих выбросов углекислого газа в США. Это означает, что когда мы думаем о сокращении всех наших выбросов, нам необходимо умножить выбросы — и последствия этих выбросов — на четыре.

Наши выбросы углерода — действительно БОЛЬШАЯ проблема

Приведенные выше аргументы ясно показывают, как 5.5 фунтов углерода на галлон бензина действительно приводят к огромным выбросам, которые потребуют огромного количества новых растущих деревьев, чтобы изолировать (изолировать) этот углерод из атмосферы.

Сравнение объема галлона бензина с объемом углерода в нем, если углерод был твердым (в виде графита).

Учитывая эти очень большие числа, реально ли предположить, что изменение химического состава атмосферы до такой степени может быть осуществлено без последствий?

НЕТ.

Так где же тогда смелость и надежда?

Наше понимание как физического, так и социального мира улучшается, и это вселяет в нас надежду и придает нашему мужеству.

Мы все лучше понимаем, как движется углерод и как он хранится

Критическая зона Земли .Иллюстрация обсерваторий критических зон (CZO) на основе рисунка из Chorover et al. 2007.

Лучшее понимание изменения климата, углеродного цикла и хранения углерода — важные области исследований в науке о критических зонах. Ответ на вопрос «Куда уходит бензин?» это, конечно, «Критическая зона».

Более светлое будущее зависит от улучшения наших знаний о том, как горение происходит миллионы и миллионы раз каждый день; как эта реакция меняет химию атмосферы; и как эти изменения приводят к изменению климата.

Понимание масштабов нашего воздействия должно помочь нам уменьшить его; чтобы заставить нас меньше ездить или, по крайней мере, двигаться менее углеродоемкими способами.

Наука о критических зонах помогает нам понять, как углерод циркулирует и хранится в системе Земли. Хранение углерода является важной службой критической зоны (см. Пример мультфильма, научную статью или 50-минутное видео). Потрясающим фактом человеческой деятельности в критической зоне является то, что каждый галлон бензина, который мы сжигаем, производит 19 фунтов углекислого газа, объединяя 5.5 фунтов углерода в этом галлоне бензина с кислородом из атмосферы. Один из возможных способов решения проблемы — снизить выброс углерода в воздух за счет сжигания меньшего количества материала.

Мы также можем уменьшить вред, вытягивая углерод, который мы добавили в атмосферу, обратно. Это очень важная услуга в критической зоне. Понимание того, как движется углерод и где он хранится в горных породах, воде, почве, воздухе и жизни, необходимо для смягчения последствий изменения климата.

У нас есть история реагирования на ужасающие и достоверные прогнозы

Мы говорим о конце света или о конце общества, во всяком случае, с тех пор, как мы были людьми. Мы всегда ошибались . В этом есть надежда, но важно понять, почему эти предыдущие прогнозы не оправдались.

Есть как минимум две причины, по которым эти апокалиптические пророчества не сбылись:

1. Некоторые из них просто ошибались.
2. Достоверные прогнозы привели к действию.

К сожалению, предсказания ученых-климатологов сбылись в огромном количестве случаев. Изменение климата — реальное явление, вызванное деятельностью человека, и это серьезная проблема, с которой мы сейчас сталкиваемся.Это не только отдаленная проблема, хотя ситуация будет ухудшаться. Прогнозируется, что экстремальные наводнения, пожары, ураганы, засухи и волны тепла будут ухудшаться в результате всего углерода, который мы добавили в атмосферу. Прогнозы сбылись. Предсказания о том, что нас ждет впереди, весьма правдоподобны.

Надежда и мужество приходят от осознания того, что надежные прогнозы приводят к действию

71% американцев считают, что изменение климата происходит. Многие из нас сейчас действуют.Многие из нас нет. Практически независимо от того, где вы находитесь с точки зрения своих действий, пора активизировать их. Одна из самых важных вещей, которые мы можем сделать, — это поговорить об изменении климата. Поговорите со своими друзьями и семьями. Поговорите с людьми, с которыми вы ведете бизнес или отказываетесь вести дела из-за того, как их действия влияют на окружающую среду. И, может быть, самое главное, поговорите со своими законодателями.

Давайте перейдем к делу.

---

Идем дальше

Приведенный выше пост призван помочь понять, почему секвестрация углерода и углеродный цикл в более широком смысле важны, но он не углубляет понимание этих процессов.

Вот несколько ресурсов, которые помогут вам узнать и рассказать о углеродном цикле:

• Интерактивная диаграмма со встроенными видеороликами, объясняющими различные части углеродного цикла:
• Инструментарий углеродного цикла: (более подробный обзор):

Схема биологических компонентов углеродного цикла.Источник: https://public.ornl.gov/site/gallery/originals/BioComponents_Carbon.jpg

Критическая зона Земли играет ключевую роль в углеродном цикле, поэтому неудивительно, что это важная область исследований для ученых критической зоны.

Поиск «углеродного цикла» на CriticalZone.org дает сотни обращений.

• См. Результаты поиска по запросу «углеродный цикл» на CriticalZone.org.
• См. Результаты поиска по запросу «секвестрация углерода» на сайте CriticalZone.org

Для более широкого изучения и преподавания проблемы изменения климата рассмотрите «Руководство по изменению климата» для учителей.

Чтобы узнать о действиях, которые вы можете предпринять для борьбы с глобальным изменением климата, посетите сайт «Закон о климате».

Чтобы узнать больше о предсказании конца света и мыслях о том, почему нам нужно быть внимательными, говоря о таких вещах в связи с изменением климата, см. Презентацию Prezi: «Огонь и сера и Форт Мак-Мюррей: рассмотрение последствий апокалиптической риторики в Климатическая коммуникация ». Видео ниже включает эту презентацию в дополнение к содержанию этого сообщения в блоге.

Посмотрите 53-минутное видео об этом контенте

Все комментарии проходят модерацию.Если вы хотите оставить комментарий, не входя в систему, выберите поле «Начать / присоединиться к обсуждению» или ссылку «Ответить», затем «Имя» и, наконец, флажок «Я лучше отправлю сообщение в качестве гостя».

Сколько углекислого газа образуется при сжигании различных видов топлива?

Часто задаваемые вопросы Администрации энергетической информации:

«Различные виды топлива выделяют разное количество углекислого газа (CO ₂ ) в зависимости от энергии, которую они производят при сжигании. Чтобы проанализировать выбросы по видам топлива, сравните количество CO ₂ , выбрасываемое на единицу выходной энергии или теплосодержания.

фунтов CO ₂ выбросов на миллион британских тепловых единиц (БТЕ) ​​энергии для различных видов топлива:

Уголь (антрацит)	228,6
Уголь (битуминозный)	205,7
Уголь (лигнит)	215,4
Уголь (суббитуминозный)	214,3
Дизельное топливо и мазут	161,3
Бензин (без этанола)	157.2
Пропан	139,0
Природный газ	117,0

Количество CO ₂ , образующегося при сжигании топлива, зависит от содержания углерода в топливе. Теплосодержание или количество энергии, производимой при сжигании топлива, в основном определяется содержанием углерода (C) и водорода (H) в топливе. Тепло выделяется, когда C и H соединяются с кислородом (O) во время горения.Природный газ — это в первую очередь метан (CH ₄ ), который имеет более высокое содержание энергии по сравнению с другими видами топлива и, таким образом, имеет относительно более низкое содержание CO ₂ в энергии. Вода и различные элементы, такие как сера и негорючие элементы в некоторых видах топлива, снижают их теплотворную способность и увеличивают содержание CO ₂ в отношении тепла ».

Подробнее:

• Программа отчетности по парниковым газам (веб-сайт), Агентство по охране окружающей среды
  Программа, собирающая отчетные данные о выбросах от тысяч предприятий в различных отраслях промышленности, охватывающих примерно половину всей территории США.Выбросы S.

• Согласование оценки жизненного цикла (веб-сайт), Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии
  Отчет об общих выбросах парниковых газов, связанных с выработкой электроэнергии из широкого спектра источников, включая уголь, нефть, природный газ, атомную, ветровую, гидроэнергетику, геотермальная энергия, биотопливо и различные виды солнечной энергии

.