Технические и чистые газы в промышленности. Технические газы

Р ассматривая тему «технические газы » (ТГ), необходимо сразу заметить: от бытового газа они отличаются не только искусственным способом их получения, но и более широкой областью применения. Рынок природного газа с рынком технических, конечно, не соразмерен. Однако доля ТГ не менее впечатляющая и достигает в последние годы по всему миру свыше - $60 миллиардов. И если природный газ , прежде всего, используется как один из энергоресурсов, то сфера использования ТГ начинается от металлургии, машиностроения и строительства распространяется на медицинскую, научную, пищевую отрасли, и даже рекламу.

Виды технических газов и область их применения

Спустя 65 лет, с момента появления первой криогенной установки , разделяющей атмосферный воздух на разные газы, можно с уверенностью отметить - наука далеко продвинулась в этом направлении. Сейчас в промышленных масштабах производится более десяти видов технического газа и выведенных на их основе смесей. К наиболее известным и распространенным можно отнести: кислород, азот, аргон, углекислый газ, водород, гелий, ацетилен и пропан-бутановую смесь.

Кислород на мировом рынке является основным газовым продуктом. Большую потребность в нем (а именно в его химических свойствах) испытывают крупнейшие потребители кислорода - металлургические комбинаты и предприятия машиностроения для процесса выплавки и обработки металла. Широко используется этот газ и в медицине для обогащения дыхательных смесей. Азот занимает второе место по потреблению и, соответственно, производству. Его основное предназначение - газовая сварка металлов и включение в состав специальных газовых смесей, увеличивающих срок хранения пищевых продуктов в упаковке. Аргон (самый доступный и относительно дешевый газ) используется в первую очередь для очистки и выплавки металла и, конечно, в лампах накаливания. Углекислый газ более всего применяется в газированных напитках, производстве сухого льда и пожаротушении. Водород в жидком виде служит ракетным топливом, а в пищевой отрасли - для гидрирования растительных жиров (при выработке маргарина). В промышленности чаще всего используется как хладоген. Гелий , как и азот, важный компонент при плавке, резке и сварке металлов . А ещё он находит применение в течеискателях при поисках течей в герметичном оборудовании, в рекламной деятельности (наружная неоновая реклама) и т.д. Ацетилен используется в двух областях: питание осветительных установок и в качестве горючего газа во время газопламенной обработки металлов. Наконец, пропан-бутановая смесь - это наиболее близкий к потребителю продукт, считающийся хорошим и недорогим топливом для дачников и экономных автовладельцев. Одним из перспективных направлений использования этой газовой смеси являются системы, позволяющие отапливать загородные дома, не подключенные к магистральному газу.

Будущее техгазов

Буквально 10 лет назад о применении техгазов и газовых смесей для упаковки продуктов большинство отечественных пищевых производителей даже не слышали. А сегодня эта технология - норма. Все крупные мясокомбинаты упаковывают свою продукцию, применяя модифицированную газовую среду , и такие продукты можно приобрести в любом супермаркете. Однако сейчас технические газы имеют в основном промышленное применение, где используют их химические и физические свойства. Наиболее перспективной отраслью считается металлургия, а именно выплавка, обработка и резка металла. К примеру, последним российским ноу-хау здесь считается лазерная сварка . В её процессах технические газы применяются для защиты сварочной ванны от воздушной среды, а также минимизации разбрызгивания металла и снижения задымлений за счет поглощения дыма лазерным лучом. Как и при традиционной металлообработке, для лазерной сварки используют кислород, азот и аргон. Однако, в новой технологии к ним добавляют и ряд инертных газов - гелий, либо аргоно-гелиевую смесь.

К новым зарубежным разработкам, использующим технические газы, можно отнести аппараты по поиску и локализации течей внутри герметичного оборудования. Как удалось выяснить корреспонденту www.сайт, одним из лучших является течеискатель MSE-2000A производства компании Shimadzu (Япо-ния). Недавно прибор был представлен на Международ-ной специализированной выставке «Криоген-Экспо». Принцип работы следующий: внутренний объем испытуемого объекта вакуумируется, затем на его внешнюю поверхность распыляется пробный газ (гелий). В случае негерметичности гелий проникает во внутреннюю полость объекта и регистрируется течеискателем.

Рынок технических газов

На сегодняшний день крупнейшими представителями отечественного рынка производителей газов являются: Промышленная Группа Компаний «Криогенмаш», «Линде Газ Рус», ОАО «Логика» и ОАО «Московский коксогазовый завод» (Московская область); ЗАО «Лентехгаз» (Северо-запад страны); ОАО «Уралтехгаз» (Урал); ОАО «Сибтехгаз» (Сибирь) и ОАО «Дальтехгаз» (Дальний Восток). На мировом рынке доминируют три компании: французская Air Liquide, немецкая Linde Gaz и американская Air Products.

По словам Игоря Васильева, директора по развитию компании «НИИ КМ», российского переработчика и поставщика различных технических и специальных газов, объем отечественного рынка оценивается приблизительно в €600 миллионов и растет в среднем на 15-20% в год. К слову, прирост на мировом рынке до 2010 года составит только 7-8% в год. Объясняется это общим слабым развитием производственных фондов в России и, как следствие, меньшей конкуренцией между газовыми компаниями.

Участники отечественного рынка ТГ условно делятся на три группы. Первая - это крупнейшие производители сжиженных техгазов. Они работают только на собственных воздухоразделительных установках и поставляют свой газ крупным и средним потребителям. Во вторую категорию попали переработчики ТГ и перепродавцы газа мелким потребителям. Чаще всего эти компании занимаются переводом газа из жидкого в газообразное состояние, его очисткой и распределением в баллоны. Наконец, третья группа представляет продавцов баллонного газа.

Очень любопытной на российском рынке ТГ выглядит ценовая политика компаний. Разница в цене на все виды технических газов, не смотря на слабую конкуренцию между производителями, составляет не более 10-15%. К примеру, у серьезного иностранного поставщика она может быть на 25% выше, чем у конкурентов.

И последнее. Рентабельность газовых компаний, расположенных на территории РФ, составляет от 20 до 40%. Зависит это от региона, вида и марки газов.

Будущее газовой отрасли

В целом, развитие отрасли технических газов в России идет хорошими темпами и уже в ближайшие годы может достичь самого высокого уровня на мировом рынке. Однако это произойдет только при решении ряда проблем и задач, одной из которых является тара для хранения и транспортировки ТГ. Сейчас самой распространенной являются газовые баллоны, но, по мнению специалистов, они уже давно морально и физически устарели (в эксплуатации встречаются даже баллоны 40-х годов прошлого столетия). Другая, не менее важная задача, - это переход отечественной газовой отрасли на схему продажи ТГ on-site supply, используемую по всему миру. Она подразумевает производство техгаза на площадке потребителя, что практически полностью исключает транспортные расходы, расходы клиента на дорогостоящее оборудование (его поставляет производитель газа) и позволяет установить между партнерами долгосрочное и взаимовыгодное сотрудничество.

• магистральный азот (чистота 5,0)
• 15 специальных особо чистых газов (чистота до 6,0)
• очистка от H2O и O2 до 100 ppb
• автоматические газовые шкафы
• автоматическая система газоанализа
• система оборотного водоохлаждения
• системы обеспечения сжатым воздухом

Стабильность и надежность любого производства, в особенности высокотехнологического, обеспечивается его инфраструктурой. На первый взгляд незаметные и располагающиеся, как правило, в подвальных помещениях или технических этажах, данные подсистемы выполняют крайне важную и ответственную задачу 24 часа в сутки 7 дней в неделю. В НОЦ ФМН к таким системам относятся система воздухоподготовки, системы обеспечения сжатым воздухом и техническим азотом высокой чистоты, система оборотного водоохлаждения, система газоанализа и пожаротушения , а также одна из наиболее сложных и опасных - система обеспечения особочистыми специальными газами .

К специальным газам относят газы или смеси газов, которые имеют узкоспециализированное назначение и удовлетворяют особым требованиям к их чистоте, а также содержанию примесей. В НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» используются газы чистотой от класса 4,0 (содержание основного компонента 99,99%) до класса 6,0 (99,9999%) . Для транспортировки и хранения газов такой чистоты в НОЦ ФМН используются специализированные баллоны объемом 10, 40 или 50 литров, к которым также предъявляются особые требования, в первую очередь по безопасности. Каждый баллон проходит обязательную процедуру сертификации перед тем, как его доставят и подключат в систему. Проводятся испытания на прочность, на течи, в том числе на гелиевые, тесты на влажность и на частицы. Так, например, для большинства специальных газов, используемых в НОЦ ФМН, недопустимо наличие более одной частицы размером 0,1 мкм на кубический фут (0.028 кубического метра). При изготовлении структур нанометровых размеров попадание частиц в 10-100 раз крупнее самих функциональных элементов может привести к полному уничтожению устройства. Так как данные устройства кропотливо изготавливаются в течение продолжительного времени, от нескольких дней до нескольких недель и более, обнаружение неработоспособного устройства на финальной стадии его производства приводит к колоссальным потерям как времени и человеческих ресурсов, так и материалов.

При проектировании Технологического центра ФМН учитывался опыт крупных микроэлектронных предприятий , был проведен анализ ведущих мировых центров и их инфраструктурных подсистем, проведен сравнительный анализ поставщиков оборудования для специальных газов, поставщиков самих газов, а также тщательный анализ компаний, занимающихся внедрением данных решений. В результате был образован высоконадежный конгломерат из ведущих американских и немецких производителей, который совместными усилиями реализовал в НОЦ ФМН систему обеспечения специальными газами на самом высоком уровне.

В НОЦ «Функциональные микро/наносистемы» используется 15 специальных особо чистых газов чистотой до класса 6,0 (99,9999%) , среди которых азот, кислород, аргон, гелий, водород, тетрафторметан (CF 4), закись азота (N 2 O), трифторметан (CHF 3), октафторциклобутан (C 4 F 8), гексафлорид серы (SF 6), аммиак (NH 3), трихлорид бора (BCl 3), бромоводород (HBr), хлор (Cl 2) и моносилан (SiH 4). Именно поэтому, в НОЦ ФМН удаляется особое внимание безопасности сотрудников, окружающей среды и оборудования. Так, особо опасные токсичные и взрывоопасные газы и газовые смеси располагаются в отдельном помещении на улице, в котором реализована система бесперебойного электроснабжения, отдельная вытяжная и приточная вентиляция, система нейтрализации газов (скрубберы), а также система подачи сжатого воздуха для пневматических клапанов. Помимо этого, все особоопасные газы располагаются в специализированных бронированных пожароустойчивых газовых шкафах ведущего американского производителя. Данные шкафы являются полностью автоматическими, благодаря чему для использования газа или смены баллона газа не требуется ничего кроме стандартной процедуры отсоединения и установки на место нового баллона. Все необходимые действия для подачи газа в линию, а также контроля за давлением баллона (в случае газообразных реагентов) или его весом (в случае жидких реагентов) осуществляет автоматика. Соответственно, сигнал о необходимости смены баллона также выдается автоматически при опустошении баллона до определенного уровня.

В НОЦ ФМН реализована четырехуровневая система мониторинга, оповещение и предупреждения нештатных ситуаций . Сюда относится, в первую очередь, контроль за малейшими утечками газа . Магистрали всех особоопасных газов выполнены в виде коаксиальных труб, внешняя оболочка которых заполнена инертным газом. В случае любой разгерметизации или повреждения трубопровода, давление инертного газа падает, системы включает тревогу и мгновенно останавливает подачу газа. Помимо этого, в газовых шкафах, а также у каждой технологической установки, использующей газ, установлены высокочувствительные газоанализаторы ведущего немецкого производителя, которые включают сигнализацию в случае обнаружения содержания опасных газов в несколько раз ниже допустимого уровня, еще безопасного для человека. На втором уровне безопасности осуществляется непрерывный контроль потока вытяжной вентиляции (100-200 м 3 /ч). В случае его незначительного уменьшения выдается предупреждение, а в случае резкого падения - сигнализация и полное отключение газоснабжения. Данная вытяжная вентиляция предназначена исключительно для удаления скоплений газов, которое может происходить только в результате аварии или повреждения трубопровода. Т.е. в исправно работающей системе скопления газов не происходит; тем не менее, вытяжная вентиляция работает в режиме 24/7. Третий уровень безопасности - это система автоматического пожаротушения , а четвертый уровень - высоконадежная система предупреждения нештатных ситуаций . Так, например, в случае возникновения малейшей угрозы утечки газа в помещении на улице, весь персонал чистого помещение внутри здания будет уведомлен и эвакуирован. Это реализовано с одной лишь целью - безопасность и здоровье сотрудников центра.

Для проведения научных исследований и получения результатов, соответствующих и превышающих мировой уровень, в НОЦ ФМН уделяют особое внимание чистоте материалов , из которых и с помощью которых изготавливаются высокотехнологичные устройства. Помимо предъявления жестких требований к чистоте и качеству подложек, металлов для осаждения и других исходных материалов, также тщательно контролируется качество и чистота химических реагентов, воды и, в особенности, специальных газов . Как указано выше, в НОЦ ФМН используется 15 специальных особо чистых газов чистотой до класса 6,0 (99,9999%). В процессе аттестации с приемо-сдаточных испытаний газовых магистралей проводилась их продувка в течение нескольких суток, что позволило добиться уровня содержания влаги и кислорода до 100 ppb (частей на миллиард). На все газовые магистрали установлены дополнительные очистители, расположенные в непосредственной близости к технологическому оборудованию и увеличивающие класс чистоты отдельных газов до 8 (99,999999%), а сами магистрали выполнены из высококачественной немецкой стали с шероховатостью Ra менее 250 нм.

Помимо аттестации и приемо-сдаточных испытаний систем газоснабжения, в Центре внедрен опыт ведущих мировых микроэлектронных предприятий, благодаря которому разработана специальная методика работы со специальными газами . В дополнение к использованию газораспределительных панелей ведущего немецкого производителя, внедрена в практику процедура смены использованных баллонов, включающая в себя множество стадий продувки участка магистрали инертным газом, а также полное вакуумирование линии в течение суток. Это позволяет с уверенностью получать идентичные и повторяемые результаты в течение длительного периода времени, будь то плазмохимическое травление кремния и его окисла или осаждение тонких пленок благородных металлов.

Тег video не поддерживается вашим браузером.

Другой немаловажной инфраструктурной подсистемой является система обеспечения магистральным техническим азотом чистотой класса 5,0 . Источником азота является резервуар с жидким азотом объемом 6 м 3 и весом более 5 тонн от ведущего немецкого производителя. Разработка системы проводилась согласно множеству регламентов и плавил, а сам резервуар находится на учете в Ростехнадзоре. Благодаря специальному газификатору жидкий азот, поступающий в магистраль, испаряется и поступает в технологический Центр уже в газообразном виде. В непосредственной близости от оборудования установлены очистителя газа, повышающие класс чистоты технического азота до 6,0. Чистота технического азота крайне важна поскольку он используется во всех процессах вакуумных установок, а также в системах жидкостной химии, в том числе для продувки и сушки пластин и образцов.

Практически все оборудование Технологического центра, от установки проявления фоторезистов до мини-завода по производству ультрачистой воды, использует сжатый воздух для обеспечения работы пневматических клапанов . Не важно, используется ли воздух для открытия/закрытия линий подачи проявителей или же для постоянной обдувки оптики с целью предотвращения попадания на нее частиц пыли, требования к сжатому воздуху предъявляются очень серьезные. Для их обеспечения в НОЦ ФМН используется высокопроизводительная компрессорная установка от ведущего Шведского производителя, оборудованная системой осушения воздуха, позволяющая достичь содержания влаги до 100 ppb (частей на миллиард). Магистраль сжатого воздуха спроектирована с учетом возможности расширения и добавления новых потребителей практически на любом участке центра. Это позволяет вводить в строй новое оборудование в кратчайшие сроки.

Для работы высоковакуумного оборудования, а также для поддержания работы систем обеспечения чистым воздухом требуется водяное охлаждение . В большинстве случаев это реализуется подключением к обычному городскому водопроводу со всеми вытекающими последствиями: образованию кальциевых отложений в трубах и росту микроорганизмов. Это, в свою очередь, может привести к выходу из строя дорогостоящих вакуумных насосов, не говоря уже о невозможности выполнения технологических операций. В НОЦ ФМН для водяного охлаждения используется не обычая водопроводная вода, а пермеат из системы водоподготовки. Пермеат представляет собой предварительно очищенную воду с низкой концентрацией солей, которая образуется на выходе установки обратного осмоса. Пермеат постоянно циркулирует в замкнутом контуре, что предотвращает образование микроорганизмов и других нежелательных образований.

Углеводородные газы по происхождению можно разбить на три группы:

1. Природный газ – добывается из чисто газовых месторождений.

2. Естественный нефтяной газ или попутный газ – смесь углеводородов, выделяющихся из нефти при ее добыче.

3. Искусственный нефтяной газ – газ, получающейся при переработке нефти.

Главные составные части этих газов – метан, этан, пропан, бутаны и пентаны. В них так же содержаться небольшие примеси углекислого газа, сероводорода, воды.

Природные горючие газы известны человечеству давно. Упоминает о них в своих записках еще русский путешественник Афанасий Никитин, совершивший в XV веке путешествие в Индию. Однако, практическое использование естественных газов началось только в конце XIX века. Газы использовались как средство нагревания перегонных кубов. Тогда же начались интенсивные работы по поиску новых газовых месторождений.

Выходы газов чаще всего встречаются в нефтеносных и каменноугольных районах: Кавказ, район Нижней и Средней Волги до Урала, Северный Урал, Западная Сибирь. Но были разработаны и специальные газовые месторождения. Скопления газов были найдены в районе верхней Камы, в Саратовской области, в Сальских степях, Ставропольском и Краснодарском краях, на Каспийском побережье, в Дагестане и в других районах. На основе этих природных богатств возникла новая отрасль промышленности – газовая индустрия, включающая в себя производство специального оборудования – компрессоров, газодувок, форсунок, запорно-регулирующей аппаратуры, производство специальных высоконапорных труб большого диаметра, разработку методов и способов высококачественной сварки таких труб, проводимой зачастую в экстремальных условиях, разработку способов строительства газопроводов в сложных природных условиях.

Состав газов меняется в зависимости от местонахождения, но главным компонентом является метан СН 4 и его ближайшие гомологи, то есть предельные или насыщенные углеводороды.

Метан – бесцветный газ без запаха, плохо растворим в воде, (при 20 °С в 100 г воды растворяется 9 мл метана). Горит на воздухе голубоватым пламенем, выделяя 890,31 кДж/моль тепла. С кислородом и воздухом образует взрывчатые смеси (5,2-14% СН 4). До 700 °С метан устойчив. Выше этой температуры он начинает диссоциировать на углерод и водород. Пиролиз метана:

В природе метан встречается везде, где происходит гниение или разложение органических веществ без доступа воздуха., то есть в анаэробных условиях ()например, на дне болот). В более глубоких слоях земли – в каменноугольных пластах, вблизи нефтяных месторождений – метан может накапливаться в колоссальных количествах, собираясь в пустотах и трещинах угля и тому подобное. При разработке таких пластов метан выделяется в шахты, что может привести к взрыву.

Природный метан находит использование главным образом как дешевое и удобное топливо. Теплотворная способность метана (55252,5 кДж/кг) значительно больше, чем у бензина (43576,5 кДж/кг). Это позволяет использовать его в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.

Нефть

Россия обладает большими запасами нефти и газа – основными источниками углеводородов. Начало работам по изучению нефти было положено великими русскими химиками А.М. Бутлеровым и В.В. Марковниковым. Значительный вклад внесли их последователи Зайцев, Вагнер, Коновалов, Фаворский, Лебедев, Зелинский, Наметкин. Российская химическая наука в области нефтепереработки традиционно опережала всех остальных по части разработки новых технологических процессов.

Нефть – маслянистая горючая жидкость, чаще всего черного цвета. Как известно, нефть представляет собой сложную смесь очень большого числа индивидуальных веществ. Главная часть – это предельные углеводороды ряда метана (алканы, C n H 2 n +2), циклические углеводороды – насыщенные (нафтены, C n H 2 n) и ненасыщенные, в том числе ароматические углеводороды. Кроме того, в состав нефтей входит вода, гетеросоединения – кислород-, азот-, серосодержащие органические вещества. Соотношение между компонентами нефти варьируются в широком диапазоне и зависят от месторождения нефти.

Каменный уголь

Ископаемый каменный уголь – сложная смесь, состоящая из различных соединений углерода, водорода, кислорода, азота и серы. Он содержит так же минеральные вещества, состоящие из соединений кремния, кальция, алюминия, магния, железа и других металлов. Полезной частью угля является его горючая масса, минеральная часть – это балласт, представляющий интерес только как потенциальный строительный материал.

Элементарный состав и теплотворная способность горючих ископаемых приведена в таблице 7.

Таблица 7

Элементарный состав и теплотворная способность ископаемых горючих

Горючая масса – это продукт постепенного разложения растительного сырья, содержащего клетчатку. Такие процессы превращения растений в ископаемые углеродистые материалы протекали в течение длительного времени (от десятков до сотен тысяч лет) и протекают в настоящее время на дне болот, озер, в недрах земли. Разложение растительных остатков происходит без доступа воздуха (то есть в анаэробных условиях), часто при участии влаги, повышенных давлении и температуре и протекают через следующие стадии:

Образование торфа;

Образование бурого угля;

Образование мягкого каменного угля;

Образование твердого угля – антрацита.

Чем больше возраст угля, тем глубже процесс обугливания и тем больше содержание углерода в том или ином продукте. Углерод присутствует в каменных углях не в свободном виде, а в связи с другими элементами и, по-видимому, образует высокополимерные молекулы. Переход образований типа торфа или молодого бурого угля в каменные угли происходит в особых условиях, без которых молодые образования могут находиться в земле десятки тысяч лет и не дать настоящего угля. Считается, что решающим фактором в процессе превращения растительных остатков в уголь являются микробиологические процессы, которые протекают с участием особого вида грибков и бактерий, выделяющих специальные ферменты, способствующие так называемой гумификации растительных остатков. Температура и давление играют роль ускорителей этих ферментативных процессов. Биохимическая теория происхождения углей получила экспериментальное подтверждение в работах русского химика В.Е. Раковского и других исследователей, которые показали, что процесс обугливания торфа, который в естественных условиях идет несколько тысячелетий, можно осуществить за несколько месяцев, если, например, обеспечить быстрый рост и размножение специальных грибков в процессе саморазогревания торфа.

При сварке сталей в среде защитных газов применяют инертные и активные газы и их смеси. Основным защитным газом для полуавтоматической и автоматической сварки плавящимся электродом является углекислый газ. Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050-85, он бывает сварочный, пищевой, технический. Сварочный углекислый газ 1 сорта содержит не менее 99,5% двуокиси углерода и около 0,178г/м 3 водяных паров при нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст., температура 20єС). Сварочный углекислый газ 2 сорта содержит не менее 99% двуокиси углерода и около 0,515г/м 3 водяных паров.

Аргон для сварки поставляется по ГОСТ 10157-79. Это инертный газ. По чистоте он делится на три сорта. Аргон высшего сорта (99,99% аргона) предназначен для сварки особо активных металлов и сплавов типа титана, циркония, ниобия.

Аргон 1 сорта (99,98% аргона) предназначен сварки алюминия, магния и их сплавов.

Аргон 2 сорта (99,95% аргона) предназначен сварки высоколегированных сталей и сплавов.

Кислород бесцветный газ, без вкуса и запаха. При температуре минус 118,8єС и давлении 5,1МПа сжижается. Для газопламенной обработки металлов применяют технический кислород по ГОСТ 5583-78 трех сортов: 1-й сорт с чистотой не ниже 99,7%, 2-й сорт с чистотой не ниже 99,5% и 3-й сорт с чистотой 99,2%.

В качестве горючих газов при сварке и термической резке используется ацетилен, пропан-бутан, природный газ, пары бензина или керосина.

Источником тепла служит пламя от сгорания смеси горючих газов с кислородом. Наибольшую температуру пламени при сгорании в кислороде (около 3100 єС) создает ацетилен.

Ацетилен это газ, получаемый в специальных генераторах путем разложения карбида кальция в воде. Ацетилен хорошо растворяется в бензоле, бензине и ацетоне, причем 1л ацетона может растворять от 13 до 50л ацетилена.

Вместо ацетилена при газопламенной обработке металла широко используют так называемые газы - заменители - пропан, бутан, природный газ и смесь пропана с бутаном.

Эти смеси называются сжиженными потому, что при нормальных условиях они находятся в газообразном состоянии, а при понижении температуры или повышении давления превращаются в жидкость.

При автоматической и полуавтоматической сварке для обеспечения устойчивого горения дуги, защиты металла от вредного воздействия на него составляющих воздуха и частичного легирования применяют сварочные флюсы, представляющие собой зернистое вещество, которые при расплавлении образуют шлак, покрывающий металл сварочной ванны.

Флюс замедляет процесс затвердевания жидкого металла и тем самым создает благоприятные условия для выделения газов из металла, способствует лучшему формированию шва, уменьшает потери тепла сварочной дуги в окружающую среду, сокращает потери электродного металла на угар и разбрызгивание. По способу производства флюсы делятся на плавленые и керамические.

Плавленые флюсы изготовляют путем плавления марганцевой руды, кварцевого песка, плавикового шпата и др. компонентов в электрических или пламенных печах в соответствии с ГОСТ 9087-81, который устанавливает состав флюса, размер зерен, плотность, методы испытания, требования по маркировке, упаковке, транспортированию и хранению. Размеры зерен флюса от 0,25 до 4 мм. Например, флюсы АН-348А, ОСЦ-45, АН-26П могут иметь размеры зерна от 0,35 до 3 мм; флюс АН-60, АН-20П - от 0,35 до 4 мм, а флюс АН-348АМ, ОСЦ-45М, ФЦ-9 -от 0,23 до 1 мм. Плавленый флюс по строению зерна может быть стекловидным и пемзовидным.

Керамические флюсы представляют собой механическую смесь мелко измельченных компонентов, связанных жидким стеклом. Сырьем для их изготовления служит титановый концентрат, марганцевая руда, кварцевый песок, мрамор, плавиковый шпат, ферросплавы. Эти флюсы очень гигроскопичны и требуют хранения в герметичной упаковке, а малая прочность флюса требует транспортировки его в жесткой таре. Преимуществом керамического флюса является то, что он дает возможность легирования металла шва и снижает чувствительность процесса сварки к ржавчине.

При сварке проволокой диаметром более 3 мм рекомендуется применять флюс, имеющий крупную грануляцию (размер зерна 3,0 - 3,5 мм). С уменьшением диаметра проволоки, повышением плотности тока рекомендуется и снижение грануляции флюса.

Расход флюса, идущего на образование шлаковой корки, ориентировочно равен массе наплавленного металла. Расход флюса с учетом потерь при уборке и подаче на свариваемое изделие составляет массу, равную по массе расходу сварочной проволоки.

3

1 ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

2 ФГБУН «Казанский научный центр РАН»

3 ФГБУН «Институт химии нефти СО РАН»

Проведен анализ потребностей промышленности в технологических газах. Указан альтернативный источник их получения на базе термохимической конверсии горючих сланцев. Рассмотрены качественные характеристики сланцев основных месторождений Поволжья и приведены основные технологии конверсии в энергоносители и материалы.

горючий сланец

газификация

теплоноситель

технологический газ

парогазовая смесь

энергоэффективность

1. Панов В.И. Повышение эффективности электроэнергетики за счет энерготехнологических схем топливоиспользования (Обзор). – М.: Информэнерго, 1975. – 61 с.

2. Блохин А.И. Зарецкий М.И., Стельмах Г.П., Фрайман Г.В. Энерготехнологическая переработка топлив твердым теплоносителем – М.: Светлый СТАН, 2005. – 336 с.

3. Urov K., Sumberg A. Characteristics of oil shales and shale-like rocks of known deposits and outcrops // Oil Shale. 1999. – Vol. 16, № 3. – 64 p.

4. Капустин М.А., Нефедов Б.К. Окись углерода и водород – перспективное исходное сырье для синтезов продуктов нефтехимии. – М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1981. – 60 с.

5. Янов А.В. Оптимизация состава оборудования и рабочих параметров газификации сернистых сланцев Поволжья для использования с ПГУ: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Саратов, 2005. – 20 с.

6. Косова О.Ю. Разработка и моделирование установки для термической обработки горючих сланцев: Автореф. дис. канд. техн. наук. – Саратов, 2008. – 19 с.

Потребность в топливе растет в энергетике, химической промышленности, металлургии и в других отраслях народного хозяйства. Так как рост потребности превышает рост добычи традиционных углеводородов, дефицит топлива будет нарастать, и вызывать постоянное его удорожание. Это будет способствовать широкому вовлечению в топливно-энергетический баланс низкосортных местных видов топлива и в первую очередь твердых его видов - бурых углей, горючих сланцев, торфов и пр. .

При этом современная наука предлагает новые технологические процессы и схемы, обеспечивающие существенное повышение эффективности использования основных видов природного органического топлива с одновременным значительным сокращением загрязнения окружающей среды вредными выбросами . При этом в качестве головных процессов предлагается использовать пиролиз или газификацию, получаемые в результате этого твердые, жидкие и газообразные вещества могут быть использованы как ценные продукты различного назначения в зависимости от потребностей промышленности.

В свете вышесказанного особую значимость в качестве сырья приобретают горючие сланцы. Так в Приволжском федеральном округе Государственным балансом учитываются 40 месторождений и участков горючих сланцев, расположенных в Ульяновской, Самарской, Саратовской и Оренбургской областях, с суммарным балансовым запасами кат. А + В + С 1 - 1233,236 млн т, С 2 - 2001,113 млн т, забалансовыми - 468,753 млн т.

Преобладающая часть балансовых запасов горючих сланцев округа (53,9 %) находится на 24 участках для подземной отработки в Самарской области. Несколько меньшая часть балансовых запасов горючих сланцев округа (30,5 %) учитывается на 4 участках для открытой разработки Оренбургской области, 6 участках для подземной и одном - для открытой разработки в Саратовской области (11,7 %) и на пяти участках для подземной разработки в Ульяновской области (3,9 %).

Балансовые запасы горючих сланцев пяти объектов для открытой разработки составляют 33,8 от таковых по Приволжскому федеральному округу. Остальные балансовые запасы горючих сланцев округа учитываются на 35 объектах для подземного способа отработки. Однако не только в указанных областях обнаружены горючие сланцы но и в республике Татарстан (табл. 1), республике Башкирия и др. причем все они одного геологического возраста - юрского периода.

Однако наибольший интерес представляют характеристики горючего сланца Кашпирского месторождения (табл. 2) единственного на сегодняшний день из разрабатываемых промышленно.

На рис. 1 представлена принципиальная технологическая схема процесса, а в - принцип работы.

Таблица 1

Характеристика горючих сланцев Республики Татарстан

Таблица 2

Характеристика Кашпирского горючего сланца

Рис. 1. Технологическая схема термической переработки сланца в агрегате УТТ-3000: 1 - аэрофонтанная сушилка; 2 - циклон сухого сланца; 3 - смеситель; 4 - барабанный реактор; 5 - пылевая камера; 6 - технологическая топка; 7 - байпас; 8 - циклон теплоносителя; 9 - зольный циклон; 10 - котел-утилизатор; 11 - зольный теплообменник

Основными товарными продуктами термической переработки 1 т сланца, имеющего теплоту сгорания Q н р = 8,4 МДж/кг, являются:

1) жидкое малосернистое и малозольное котельное топливо с теплотой сгорания 37,0 Мдж/кг в количестве 90 кг;

2) жидкое газотурбинное топливо с теплотой сгорания 39,0 МДж/кг в количестве 40 кг;

3) газ полукоксовый с теплотой сгорания 46,1 МДж/м3 в количестве 39,6 м3;

4) газовый бензин с теплотой сгорания 41,2 МДж/кг в количестве 7,9 кг.

При этом технологический газ отделяемый в аппарате 5 может стать альтернативой нефтяному сырью в следующих процесса: производство метанола; синтеза этиленгликоля и глецерина; каталитический синтез метана, получение этилена и этана; синтез предельных, непредельных и высших углеводородов и ряд других .

Вопросы эффективного использования топлива при комплексной его переработке с производством электрической и тепловой энергии, синтез-газа, водорода, химических продуктов всегда находились в центре внимания отечественных и зарубежных теплоэнергетиков. В проведены исследования по комплексной переработке Поволжских горючих сланцев в газогенераторах Lurgi на парокислородном и паровоздушном дутье под давлением до 2 МПа. Полученный газ в основной своей части состоит из горючих газов, смолы и газового бензина, его теплота сгорания достигает 16 МДж/м 3 . Схема парогазовой установки на продуктах газификации показана на рис. 2.

Для указанной схемы выполнена оптимизация схем и рабочих параметров газификации сернистых сланцев Поволжья для использования в ПГУ. При этом ее отличает довольно высокая экономическая эффективность (в ценах 2005 г.): ЧДД = 2082,28 млн руб., т.е. в 3,9 раза выше, чем аналогичная установка на природном газе, индекс доходности больше на 28,9 %, а срок окупаемости на полгода меньше.

Особую значимость на сегодняшний день приобретает установки для термической переработки сланца на базе трубчатых реакторов типа газовзвесь (рис. 3) . Принцип работы установки детально изложен в .

Данная установка дает возможность эффективно управлять процессом термической обработки твердого топлива и получать продукты требуемого качества. Для этого используются высокоскоростные режимы нагрева топливной газовзвеси в трубчатых реакторах и охлаждения получаемых парогазовых целевых продуктов в закалочном теплообменнике. Изменяя температурный уровень и время пребывания того и другого потоков в зоне тепловой обработки, можно влиять на состав получаемых продуктов.

Рис. 2. Принципиальная схема ПГУ с внутрицикловой газификацией горючих сланцев: ГГ - газогенератор; Ск - скруббер очистки парогазовой смеси от смоляных продуктов и водяных паров; Х - предварительный холодильник; Аб - абсорбер тонкой очистки от кислых газов; Дб-1, Дб-2 - десорбер первой и второй ступени очистки; И - испаритель водоаммиачной АбХМ; АбХ - абсорбер АбХМ; К - конденсатор АбХМ; Г - генератор АбХМ; РК - реакционная камера установки производства серы; КУs - котёл-утилизатор установки производства серы; Кs - конденсатор серы; P - разделитель жидкостей; БХО - система биохимической очистки сточных вод; ВРУ - воздухоразделительная установка; ов - охлаждающая вода; сб - сланцевый бензин

Рис. 3. Схема установки пирогазификации: 1 - корпус; 2 - решетка газораспределительная; 3 - кипящий слой; 4 - трубчатые реакторы; 5, 8 - питатели-дозаторы; 6, 9 - сепараторы; 7 - теплообменник закалочный; 10 - теплообменник зольный; 11 - топка технологическая; 12 - теплообменник «газ-воздух»; 13 - стояк

Для дозированной подачи топливных частиц в реакторные трубы может быть использован кипящий слой. Подобного типа дозаторы успешно используются для питания угольной пылью горелок крупных энергетических котлов.

Существующие и разрабатываемые способы пирогазификации позволяют превратить в горючие газы 60-70 % углерода, имеющегося в твердом топливе. Остальное количество расходуется в процессе горения для получения тепла, необходимого для осуществления эндотермических реакций газификации.

Заключение

Показана перспективная возможность замены традиционных источников углеводородов для получения технологических газов с использованием ресурса горючих сланцев. Приведены наиболее изученные схемы комплексного использования горючих сланцев для получения энергоносителей, электрической и тепловой энергии.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Татарстан в рамках научного проекта №15-48-02313 «р_поволжье_а».

Библиографическая ссылка

Мракин А.Н., Селиванов А.А., Морев А.А., Мингалеева Г.Р., Галькеева А.А., Савельев В.В. ПОЛУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ГАЗОВ ПРИ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ГОРЮЧИХ СЛАНЦЕВ ПОВОЛЖЬЯ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 10-3. – С. 429-432;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7512 (дата обращения: 20.04.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»