Технічні та чисті гази в промисловості. Технічні гази

Розглядаючи тему « технічні гази»(ТГ), необхідно відразу помітити: від побутового газу вони відрізняються не лише штучним способом їх одержання, а й ширшою сферою застосування. Ринок природного газу з технічних ринком, звичайно, не пропорційний. Однак частка ТГ не менш вражаюча і досягає останніми роками по всьому світу понад $60 мільярдів. І якщо природний газНасамперед використовується як один з енергоресурсів, то сфера використання ТГ починається від металургії, машинобудування та будівництва поширюється на медичну, наукову, харчову галузі, і навіть рекламу.

Види технічних газів та сфера їх застосування

Через 65 років, з моменту появи першої кріогенної установки, Що розділяє атмосферне повітря різні гази, можна з упевненістю відзначити - наука далеко просунулася у цьому напрямі. Зараз у промислових масштабах виробляється понад десять видів технічного газу та виведених на їх основі сумішей. До найвідоміших і найпоширеніших можна віднести: кисень, азот, аргон, вуглекислий газ, водень, гелій, ацетилен і пропан-бутанову суміш.

Кисеньна світовому ринку є головним газовим продуктом. Велику потребу в ньому (а саме в його хімічних властивостях) відчувають найбільші споживачі кисню. металургійні комбінатиі підприємства машинобудуваннядля процесу виплавки та обробки металу. Широко використовується цей газ у медицині для збагачення дихальних сумішей. Азотзаймає друге місце по споживанню та, відповідно, виробництву. Його основне призначення - газове зварювання металівта включення до складу спеціальних газових сумішей, що збільшують термін зберігання харчових продуктів в упаковці. Аргон(Найдоступніший і відносно дешевий газ) використовується в першу чергу для очищення та виплавлення металуі, звичайно, у лампах розжарювання. Вуглекислий газнайбільше застосовується в газованих напоях, виробництві сухого льоду та пожежогасіння. Воденьв рідкому вигляді служить ракетним паливом, а в харчовій галузі - для гідрування рослинних жирів (при виробленні маргарину). У промисловості найчастіше використовують як хладоген. Гелій, як і азот, важливий компонент при плавленні, різанні та зварюванні металів. А ще він знаходить застосування в шукачах течії при пошуках течій в герметичному устаткуванні, в рекламній діяльності (зовнішня неонова реклама) і т.д. Ацетиленвикористовується у двох областях: живлення освітлювальних установок та як горючий газ під час газополум'яної обробки металів. Зрештою, пропан-бутанова суміш- це найбільш близький до споживача продукт, який вважається хорошим та недорогим паливом для дачників та економних автовласників. Одним із перспективних напрямків використання цієї газової суміші є системи, що дозволяють опалювати заміські будинки, які не підключені до магістрального газу.

Майбутнє техгазів

Буквально 10 років тому про застосування техгазів та газових сумішей для пакування продуктів більшість вітчизняних харчових виробників навіть не чули. А сьогодні ця технологія – норма. Усі великі м'ясокомбінати упаковують свою продукцію, застосовуючи модифіковане газове середовище, і такі продукти можна придбати у будь-якому супермаркеті. Однак зараз технічні гази мають переважно промислове застосування, де використовують їх хімічні та фізичні властивості. Найбільш перспективною галуззю вважається металургія, а саме виплавка, обробка та різання металу. Наприклад, останнім російським ноу-хау тут вважається лазерне зварювання. У її процесах технічні гази застосовуються для захисту зварювальної ванни від повітряного середовища, а також мінімізації розбризкування металу та зниження задимлень за рахунок поглинання диму лазерним променем. Як і при традиційній металообробці, для лазерного зварювання використовують кисень, азот та аргон. Однак, у новій технології до них додають і ряд інертних газів – гелій, або аргоно-гелієву суміш.

До нових зарубіжних розробок, що використовують технічні гази, можна віднести апарати з пошуку та локалізації течій усередині герметичного обладнання. Як вдалося з'ясувати кореспонденту www.сайт, одним із найкращих є течешукач MSE-2000Aвиробництва компанії Shimadzu (Японія). Нещодавно прилад був представлений на Міжнародній спеціалізованій виставці «Кріоген-Експо». Принцип роботи наступний: внутрішній об'єм випробуваного об'єкта вакуумується, потім його зовнішню поверхню розпорошується пробний газ (гелій). У разі негерметичності гелій проникає у внутрішню порожнину об'єкта та реєструється течешукачем.

Ринок технічних газів

На сьогоднішній день найбільшими представниками вітчизняного ринку виробників газів є: Промислова група компаній «Кріогенмаш», «Лінде Газ Рус», ВАТ «Логіка» та ВАТ «Московський коксогазовий завод» (Московська область); ЗАТ «Лентехгаз» (Північний захід країни); ВАТ "Уралтехгаз" (Урал); ВАТ «Сибтехгаз» (Сибір) та ВАТ «Дальтехгаз» (Далекий Схід). На світовому ринку домінують три компанії: французька Air Liquide, німецька Linde Gaz та американська Air Products.

За словами Ігоря Васильєва, директора з розвитку компанії «НДІ КМ», російського переробника та постачальника різних технічних та спеціальних газів, обсяг вітчизняного ринку оцінюється приблизно в 600 мільйонів євро і зростає в середньому на 15-20% на рік. До речі, приріст на світовому ринку до 2010 року становитиме лише 7-8% на рік. Пояснюється це загальним слабким розвитком виробничих фондів у Росії як наслідок, меншою конкуренцією між газовими компаніями.

Учасники вітчизняного ринку ТГ умовно поділяються на три групи. Перша – це найбільші виробники зріджених техгазів. Вони працюють лише на власних повітророзподільчих установках і постачають свій газ великим та середнім споживачам. До другої категорії потрапили переробники ТГ та перепродавці газу дрібним споживачам. Найчастіше ці компанії займаються переведенням газу з рідкого в газоподібний стан, його очищенням та розподілом у балони. Зрештою, третя група представляє продавців балонного газу.

Дуже цікавою на ринку ТГ виглядає цінова політика компаній. Різниця в ціні на всі види технічних газів, незважаючи на слабку конкуренцію між виробниками, становить не більше 10-15%. Наприклад, у серйозного іноземного постачальника може бути на 25% вище, ніж в конкурентів.

І останнє. Рентабельність газових компаній, розташованих біля РФ, становить від 20 до 40%. Залежить це від регіону, виду та марки газів.

Майбутнє газової галузі

У цілому нині, розвиток галузі технічних газів у Росії йде добрими темпами і вже найближчими роками може досягти найвищого рівня світовому ринку. Однак це станеться тільки при вирішенні низки проблем та завдань, однією з яких є тара для зберігання та транспортування ТГ. Нині найпоширенішою є газові балони, але, на думку фахівців, вони вже давно морально та фізично застаріли (в експлуатації зустрічаються навіть балони 40-х років минулого століття). Інше, не менш важливе завдання - це перехід вітчизняної газової галузі на схему продажу ТГ on-site supply, що використовується по всьому світу. Вона передбачає виробництво техгазу на майданчику споживача, що практично повністю виключає транспортні витрати, витрати клієнта на дороге обладнання (його постачає виробник газу) та дозволяє встановити між партнерами довгострокову та взаємовигідну співпрацю.

• магістральний азот (чистота 5,0)
• 15 спеціальних особливо чистих газів (чистота до 6,0)
• очищення від H2O та O2 до 100 ppb
• автоматичні газові шафи
• автоматична система газоаналізу
• система оборотного водоохолодження
• системи забезпечення стисненим повітрям

Стабільність та надійність будь-якого виробництва, особливо високотехнологічного, забезпечується його інфраструктурою. На перший погляд непомітні та розташовані, як правило, у підвальних приміщеннях або технічних поверхах, дані підсистеми виконують вкрай важливе та відповідальне завдання 24 години на добу 7 днів на тиждень. У НОЦ ФМН до таких систем відносяться система повітропідготовки, системи забезпечення стисненим повітрям та технічним азотом високої чистоти, система оборотного водоохолодження, система газоаналізу та пожежогасіння, а також одна з найбільш складних та небезпечних - система забезпечення особливо чистими спеціальними газами.

До спеціальних газів відносять гази або суміші газів, які мають вузькоспеціалізоване призначення та задовольняють особливим вимогам до їх чистоти, а також вмісту домішок. У НОЦ «Функціональні мікро/наносистеми» використовуються гази чистотою від класу 4,0 (зміст основного компонента 99,99%) до класу 6,0 (99,9999%). Для транспортування та зберігання газів такої чистоти в НОЦ ФМН використовуються спеціалізовані балони об'ємом 10, 40 або 50 літрів, до яких також пред'являються особливі вимоги, насамперед щодо безпеки. Кожен балон проходить обов'язкову процедуру сертифікації перед тим, як його доставлять та підключать до системи. Проводяться випробування на міцність, на течі, в тому числі гелієві, тести на вологість і на частинки. Так, наприклад, для більшості спеціальних газів, що використовуються в НОЦ ФМН, неприпустима наявність більше однієї частинки розміром 0,1 мкм на кубічний фут (0.028 метра кубічного). При виготовленні структур нанометрових розмірів потрапляння частинок в 10-100 разів більше за функціональні елементи може призвести до повного знищення пристрою. Так як дані пристрої ретельно виготовляються протягом тривалого часу, від декількох днів до декількох тижнів і більше, виявлення непрацездатного пристрою на фінальній стадії його виробництва призводить до колосальних втрат часу і людських ресурсів, так і матеріалів.

Під час проектування Технологічного центру ФМН враховувався досвід великих мікроелектронних підприємств, було проведено аналіз провідних світових центрів та його інфраструктурних підсистем, проведено порівняльний аналіз постачальників устаткування спеціальних газів, постачальників самих газів, і навіть ретельний аналіз компаній, котрі займаються використанням даних рішень. У результаті було утворено високонадійний конгломерат із провідних американських та німецьких виробників, який спільними зусиллями реалізував у НОЦ ФМН систему забезпечення спеціальними газами на найвищому рівні.

У НОЦ «Функціональні мікро/наносистеми» використовується 15 спеціальних особливо чистих газів чистотою до класу 6,0 (99,9999%), Серед яких азот, кисень, аргон, гелій, водень, тетрафторметан (CF 4), закис азоту (N 2 O), трифторметан (CHF 3), октафторциклобутан (C 4 F 8), гексафлорид сірки (SF 6), аміак ( NH 3), трихлорид бору (BCl 3), бромоводень (HBr), хлор (Cl 2) та моносилан (SiH 4). Саме тому в НОЦ ФМН видаляється особлива увага безпеки працівників, навколишнього середовища та обладнання. Так, особливо небезпечні токсичні та вибухонебезпечні гази та газові суміші розташовуються в окремому приміщенні на вулиці, в якому реалізовано систему безперебійного електропостачання, окрему витяжну та припливну вентиляцію, систему нейтралізації газів (скрубери), а також систему подачі стисненого повітря для пневматичних клапанів. Крім цього, всі особливо небезпечні гази розміщуються у спеціалізованих броньованих пожежостійких газових шафах.провідного американського виробника. Дані шафи є повністю автоматичними, завдяки чому для використання газу або зміни балона газу не потрібно нічого, крім стандартної процедури від'єднання та встановлення на місце нового балона. Усі необхідні дії для подачі газу до лінії, а також контролю за тиском балона (у разі газоподібних реагентів) або його вагою (у разі рідких реагентів) здійснює автоматика. Відповідно сигнал про необхідність зміни балона також видається автоматично при спустошенні балона до певного рівня.

У НОЦ ФМН реалізовано чотирирівнева система моніторингу, оповіщення та попередження нештатних ситуацій. Сюди належить, насамперед, контроль за найменшими витоками газу. Магістралі всіх особливо небезпечних газів виконані як коаксіальних труб, зовнішня оболонка яких заповнена інертним газом. У разі будь-якої розгерметизації або пошкодження трубопроводу тиск інертного газу падає, система включає тривогу і миттєво зупиняє подачу газу. Крім цього, у газових шафах, а також у кожної технологічної установки, яка використовує газ, встановлені високочутливі газоаналізаторипровідного німецького виробника, які включають сигналізацію у разі виявлення вмісту небезпечних газів у кілька разів нижче за допустимий рівень, ще безпечний для людини. На другому рівні безпеки здійснюється безперервний контроль потоку витяжної вентиляції(100-200 м-коду 3 /год). У разі його незначного зменшення видається попередження, а у разі різкого падіння – сигналізація та повне відключення газопостачання. Ця витяжна вентиляція призначена виключно для видалення скупчень газів, що може відбуватися тільки внаслідок аварії або пошкодження трубопроводу. Тобто. у справно працюючій системі накопичення газів немає; проте, витяжна вентиляція працює у режимі 24/7. Третій рівень безпеки – це система автоматичного пожежогасіння, а четвертий рівень - високонадійна система попередження нештатних ситуацій. Так, наприклад, у разі виникнення найменшої загрози витоку газу в приміщенні на вулиці, весь персонал чистого приміщення всередині будівлі буде повідомлено та евакуйовано. Це реалізовано з однією лише метою – безпека та здоров'я співробітників центру.

Для проведення наукових досліджень та отримання результатів, що відповідають та перевищують світовий рівень, у НОЦ ФМН приділяють особливу увагу чистоті матеріалів, з яких та за допомогою яких виготовляються високотехнологічні пристрої. Крім пред'явлення жорстких вимог до чистоти та якості підкладок, металів для осадження та інших вихідних матеріалів, також ретельно контролюється якість та чистота хімічних реагентів, води та, особливо, спеціальних газів.. Як зазначено вище, у НДЦ ФМН використовується 15 спеціальних особливо чистих газів чистотою до класу 6,0 (99,9999%). У процесі атестації з приймально-здавальних випробувань газових магістралей проводилося їх продування протягом кількох діб, що дозволило досягти рівня вмісту вологи та кисню до 100 ppb (частин на мільярд). На всі газові магістралі встановлені додаткові очищувачі, розташовані в безпосередній близькості до технологічного обладнання та збільшують клас чистоти окремих газів до 8 (99,999999%), а самі магістралі виконані з німецької високоякісної сталі з шорсткістю Ra менше 250 нм.

Крім атестації та приймально-здавальних випробувань систем газопостачання, у Центрі впроваджено досвід провідних світових мікроелектронних підприємств, завдяки якому розроблено спеціальну методику роботи зі спеціальними газами. На додаток до використання газорозподільних панелей провідного німецького виробника, впроваджена в практику процедура зміни використаних балонів, що включає безліч стадій продування ділянки магістралі інертним газом, а також повне вакуумування лінії протягом доби. Це дозволяє з упевненістю отримувати ідентичні та повторювані результати протягом тривалого періоду часу, будь то плазмохімічне травлення кремнію та його оксиду або осадження тонких плівок шляхетних металів.

Тег video не підтримується вашим браузером.

Іншою важливою інфраструктурною підсистемою є система забезпечення магістральним технічним азотом чистотою класу 5,0. Джерелом азоту є резервуар із рідким азотом об'ємом 6 м 3 і вагою понад 5 тонн від провідного німецького виробника. Розробка системи проводилася згідно з безліччю регламентів і плавив, а сам резервуар перебуває на обліку в Ростехнагляді. Завдяки спеціальному газифікатору рідкий азот, що надходить у магістраль, випаровується та надходить до технологічного Центру вже у газоподібному вигляді. У безпосередній близькості від обладнання встановлені очищувачі газу, що підвищують клас чистоти технічного азоту до 6,0. Чистота технічного азоту дуже важлива оскільки він використовується у всіх процесах вакуумних установок, а також у системах рідинної хімії, у тому числі для продування та сушіння пластин та зразків.

Практично все обладнання Технологічного центру, від встановлення прояву фоторезистів до міні-заводу з виробництва ультрачистої води, використовує стиснене повітря для забезпечення роботи пневматичних клапанів. Не важливо, чи використовується повітря для відкриття/закриття ліній подачі проявників або для постійного обдування оптики з метою запобігання потраплянню на неї частинок пилу, вимоги до стиснутого повітря пред'являються дуже серйозні. Для їх забезпечення в НОЦ ФМН використовується високопродуктивна компресорна установка від провідного шведського виробника, обладнана системою осушення повітря, що дозволяє досягти вмісту вологи до 100 ppb (частин на мільярд). Магістраль стисненого повітря спроектована з урахуванням можливості розширення та додавання нових споживачів практично на будь-якій ділянці центру. Це дозволяє вводити в дію нове обладнання у найкоротші терміни.

Для роботи високовакуумного обладнання, а також для підтримки систем забезпечення чистим повітрям потрібно Водяне охолодження. У більшості випадків це реалізується підключенням до звичайного міського водопроводу з усіма наслідками: утворення кальцієвих відкладень у трубах і зростання мікроорганізмів. Це, у свою чергу, може призвести до виходу з експлуатації дорогих вакуумних насосів, не кажучи вже про неможливість виконання технологічних операцій. У НОЦ ФМН для водяного охолодження використовується не звичайна водопровідна вода, а пермеат із системи водопідготовки. Пермеат є попередньо очищеною водою з низькою концентрацією солей, яка утворюється на виході установки зворотного осмосу. Пермеат постійно циркулює в замкнутому контурі, що запобігає утворенню мікроорганізмів та інших небажаних утворень.

Вуглеводневі гази за походженням можна розбити на три групи:

1. Природний газ – видобувається із суто газових родовищ.

2. Природний нафтовий газ або попутний газ – суміш вуглеводнів, що виділяються з нафти під час її видобутку.

3. Штучний нафтовий газ – газ, що утворюється під час переробки нафти.

Головні складові цих газів – метан, етан, пропан, бутани і пентани. Вони також містяться невеликі домішки вуглекислого газу, сірководню, води.

Природні горючі гази відомі людству давно. Згадує про них у своїх записках ще російський мандрівник Афанасій Нікітін, який здійснив у XV столітті подорож до Індії. Проте, практичне використання природних газів почалося лише наприкінці ХІХ століття. Гази використовувалися як нагрівання перегонних кубів. Тоді ж розпочалися інтенсивні роботи щодо пошуку нових газових родовищ.

Виходи газів найчастіше зустрічаються в нафтоносних та кам'яновугільних районах: Кавказ, район Нижньої та Середньої Волги до Уралу, Північний Урал, Західний Сибір. Але було розроблено й спеціальні газові родовища. Скупчення газів було знайдено в районі верхньої Ками, в Саратовській області, в Сальських степах, Ставропольському та Краснодарському краях, на Каспійському узбережжі, у Дагестані та інших районах. На основі цих природних багатств виникла нова галузь промисловості – газова індустрія, що включає виробництво спеціального обладнання – компресорів, газодувок, форсунок, запірно-регулюючої апаратури, виробництво спеціальних високонапірних труб великого діаметру, розробку методів і способів високоякісного зварювання таких труб, що проводиться часто екстремальних умовах; розробку способів будівництва газопроводів у складних природних умовах.

Склад газів змінюється в залежності від місцезнаходження, але головним компонентом є метан СН 4 та його найближчі гомологи, тобто граничні або насичені вуглеводні.

Метан - безбарвний газ без запаху, погано розчинний у воді, (при 20 ° С в 100 г води розчиняється 9 мл метану). Горить у повітрі блакитним полум'ям, виділяючи 890,31 кДж/моль тепла. З киснем та повітрям утворює вибухові суміші (5,2-14% СН 4). До 700 ° С метан стійкий. Вище цієї температури він починає дисоціювати на вуглець та водень. Піроліз метану:

У природі метан зустрічається скрізь, де відбувається гниття або розкладання органічних речовин без доступу повітря., тобто в анаеробних умовах (наприклад, на дні боліт). У глибших шарах землі – у кам'яновугільних пластах, поблизу нафтових родовищ – метан може накопичуватись у колосальних кількостях, збираючись у порожнечах та тріщинах вугілля тощо. При розробці таких пластів метан виділяється у шахти, що може призвести до вибуху.

Природний метан знаходить використання головним чином як дешеве та зручне паливо. Теплотворна здатність метану (55252,5 кДж/кг) значно більша, ніж у бензину (43576,5 кДж/кг). Це дозволяє використовувати його як паливо в двигунах внутрішнього згоряння.

Нафта

Росія має великі запаси нафти і є основними джерелами вуглеводнів. Початок робіт з вивчення нафти було покладено великими російськими хіміками А.М. Бутлеровим та В.В. Марковнікова. Значний внесок зробили їх послідовники Зайцев, Вагнер, Коновалов, Фаворський, Лебедєв, Зелінський, Наметкін. Російська хімічна наука у сфері нафтопереробки зазвичай випереджала решти щодо розробки нових технологічних процесів.

Нафта – масляниста горюча рідина, найчастіше чорного кольору. Як відомо, нафта є складною сумішшю дуже великої кількості індивідуальних речовин. Головна частина – це граничні вуглеводні ряду метану (алкани, C n H 2 n +2), циклічні вуглеводні – насичені (нафтени, C n H 2 n) та ненасичені, у тому числі ароматичні вуглеводні. Крім того, до складу нафт входить вода, гетеросполуки – кисень-, азот-, сірковмісні органічні речовини. Співвідношення між компонентами нафти варіюються у широкому діапазоні та залежать від родовища нафти.

Кам'яне вугілля

Викопне кам'яне вугілля – складна суміш, що складається з різних сполук вуглецю, водню, кисню, азоту та сірки. Він містить також мінеральні речовини, що складаються з сполук кремнію, кальцію, алюмінію, магнію, заліза та інших металів. Корисною частиною вугілля є його горюча маса, мінеральна частина – це баласт, що цікавить лише як потенційний будівельний матеріал.

Елементарний склад та теплотворна здатність горючих копалин наведено в таблиці 7.

Таблиця 7

Елементарний склад та теплотворна здатність копалин горючих

Горюча маса - це продукт поступового розкладання рослинної сировини, що містить клітковину. Такі процеси перетворення рослин на викопні вуглецеві матеріали протікали протягом тривалого часу (від десятків до сотень тисяч років) і протікають нині на дні боліт, озер, надрах землі. Розкладання рослинних залишків відбувається без доступу повітря (тобто в анаеробних умовах), часто за участю вологи, підвищених тиску та температури і протікають через наступні стадії:

Утворення торфу;

Освіта бурого вугілля;

Освіта м'якого кам'яного вугілля;

Утворення твердого вугілля – антрациту.

Чим більший вік вугілля, тим глибший процес обвуглювання і тим більший вміст вуглецю в тому чи іншому продукті. Вуглець присутній у кам'яному вугіллі не у вільному вигляді, а у зв'язку з іншими елементами і, мабуть, утворює високополімерні молекули. Перехід утворень типу торфу або молодого бурого вугілля в кам'яне вугілля відбувається в особливих умовах, без яких молоді утворення можуть перебувати у землі десятки тисяч років і не дати справжнього вугілля. Вважається, що вирішальним фактором у процесі перетворення рослинних залишків на вугілля є мікробіологічні процеси, які протікають за участю особливого виду грибків та бактерій, що виділяють спеціальні ферменти, що сприяють так званій гуміфікації рослинних залишків. Температура та тиск відіграють роль прискорювачів цих ферментативних процесів. Біохімічна теорія походження вугілля отримала експериментальне доказ у роботах російського хіміка В.Є. Раковського та інших дослідників, які показали, що процес обвуглювання торфу, який у природних умовах триває кілька тисячоліть, можна здійснити за кілька місяців, якщо, наприклад, забезпечити швидке зростання та розмноження спеціальних грибків у процесі саморозігрівання торфу.

При зварюванні сталей у середовищі захисних газів застосовують інертні та активні гази та їх суміші. Основним захисним газом для напівавтоматичного і автоматичного зварювання електродом, що плавиться, є вуглекислий газ. Вуглекислий газ поставляється за ГОСТ 8050-85, він буває зварювальний, харчовий, технічний. Зварювальний вуглекислий газ 1 сорту містить не менше 99,5% двоокису вуглецю та близько 0,178г/м 3 водяної пари за нормальних умов (тиск 760 мм рт. ст., температура 20єС). Зварювальний вуглекислий газ 2 сорти містить не менше 99% двоокису вуглецю та близько 0,515г/м 3 водяної пари.

Аргон для зварювання поставляється згідно з ГОСТ 10157-79. Це інертний газ. По чистоті він поділяється на три сорти. Аргон вищого ґатунку (99,99% аргону) призначений для зварювання особливо активних металів та сплавів типу титану, цирконію, ніобію.

Аргон 1 сорту (99,98% аргону) призначений для зварювання алюмінію, магнію та їх сплавів.

Аргон 2 сорти (99,95% аргону) призначений для зварювання високолегованих сталей та сплавів.

Кисень безбарвний газ, без смаку та запаху. При температурі мінус 118,8єС та тиску 5,1МПа зріджується. Для газополум'яної обробки металів застосовують технічний кисень за ГОСТ 5583-78 трьох сортів: 1-й сорт із чистотою не нижче 99,7%, 2-й сорт із чистотою не нижче 99,5% та 3-й сорт із чистотою 99,2 %.

Як горючі гази при зварюванні та термічному різанні використовується ацетилен, пропан-бутан, природний газ, пари бензину або гасу.

Джерелом тепла служить полум'я від згоряння суміші горючих газів із киснем. Найбільшу температуру полум'я при згорянні у кисні (близько 3100 єС) створює ацетилен.

Ацетилен це газ, який у спеціальних генераторах шляхом розкладання карбіду кальцію у питній воді. Ацетилен добре розчиняється в бензолі, бензині та ацетоні, причому 1л ацетону може розчиняти від 13 до 50л ацетилену.

Замість ацетилену при газополум'яній обробці металу широко використовують звані гази - замінники - пропан, бутан, природний газ і суміш пропану з бутаном.

Ці суміші називаються зрідженими тому, що за нормальних умов вони знаходяться в газоподібному стані, а при зниженні температури або підвищенні тиску перетворюються на рідину.

При автоматичному та напівавтоматичному зварюванні для забезпечення стійкого горіння дуги, захисту металу від шкідливого впливу на нього складових повітря та часткового легування застосовують зварювальні флюси, що є зернистою речовиною, які при розплавленні утворюють шлак, що покриває метал зварювальної ванни.

Флюс уповільнює процес твердіння рідкого металу і тим самим створює сприятливі умови для виділення газів з металу, сприяє кращому формуванню шва, зменшує втрати тепла зварювальної дуги в довкілля, скорочує втрати електродного металу на чад та розбризкування. За способом виробництва флюси поділяються на плавлені та керамічні.

Плавлені флюси виготовляють шляхом плавлення марганцевої руди, кварцового піску, плавикового шпату та ін. та зберігання. Розміри зерен флюсу від 0,25 до 4 мм. Наприклад, флюси Ан-348А, ОСЦ-45, Ан-26П можуть мати розміри зерна від 0,35 до 3 мм; флюс АН-60, АН-20П – від 0,35 до 4 мм, а флюс АН-348АМ, ОСЦ-45М, ФЦ-9 – від 0,23 до 1 мм. Плавлений флюс за будовою зерна може бути склоподібним та пемзоподібним.

Керамічні флюси є механічною сумішшю дрібно подрібнених компонентів, пов'язаних рідким склом. Сировиною для виготовлення служить титановий концентрат, марганцева руда, кварцовий пісок, мармур, плавиковий шпат, феросплави. Ці флюси дуже гігроскопічні та вимагають зберігання в герметичній упаковці, а мала міцність флюсу вимагає транспортування його у твердій тарі. Перевагою керамічного флюсу є те, що він дає можливість легування металу шва та знижує чутливість процесу зварювання до іржі.

При зварюванні дротом діаметром понад 3 мм рекомендується застосовувати флюс, що має велику грануляцію (розмір зерна 3,0 – 3,5 мм). Зі зменшенням діаметра дроту, підвищенням щільності струму рекомендується і зниження грануляції флюсу.

Витрата флюсу, що йде на освіту шлакової кірки, орієнтовно дорівнює масі наплавленого металу. Витрата флюсу з урахуванням втрат при збиранні і подачі на виріб, що зварюється, становить масу, рівну за масою витрати зварювального дроту.

3

1 ФДБОУ ВПО «Саратовський державний технічний університет імені Гагаріна Ю.А.»

2 ФДБУН «Казанський науковий центр РАН»

3 ФДБУН «Інститут хімії нафти СО РАН»

Проведено аналіз потреб промисловості у технологічних газах. Вказано альтернативне джерело їх одержання на базі термохімічної конверсії горючих сланців. Розглянуто якісні характеристики сланців основних родовищ Поволжя та наведено основні технології конверсії в енергоносії та матеріали.

горючий сланець

газифікація

теплоносій

технологічний газ

парогазова суміш

енергоефективність

1. Панов В.І. Підвищення ефективності електроенергетики за рахунок енерготехнологічних схем використання палива (Огляд). - М.: Інформенерго, 1975. - 61 с.

2. Блохін А.І. Зарецький М.І., Стельмах Г.П., Фрайман Г.В. Енерготехнологічна переробка палив твердим теплоносієм - М: Світлий СТАН, 2005. - 336 с.

3. Urov K., Sumberg A. Характеристики олійних штанів і shale-like скелі з відомих аркушів і outcrops // Oil Shale. 1999. - Vol. 16, № 3. - 64 p.

4. Капустін М.А., Нефьодов Б.К. Окис вуглецю та водень – перспективна вихідна сировина для синтезів продуктів нафтохімії. - М.: ЦНІІТЕНЕФТЕХІМ, 1981. - 60 с.

5. Янів А.В. Оптимізація складу обладнання та робочих параметрів газифікації сірчистих сланців Поволжя для використання з ПГУ: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Саратов, 2005. - 20 с.

6. Косова О.Ю. Розробка та моделювання установки для термічної обробки горючих сланців: Автореф. дис. канд. техн. наук. - Саратов, 2008. - 19 с.

Потреба паливі зростає в енергетиці, хімічної промисловості, металургії та інших галузях народного господарства. Так як зростання потреби перевищує зростання видобутку традиційних вуглеводнів, дефіцит палива наростатиме і викликатиме постійне його подорожчання. Це сприятиме широкому залученню до паливно-енергетичного балансу низькосортних місцевих видів палива і насамперед твердих його видів - бурого вугілля, горючих сланців, торфів та ін.

При цьому сучасна наука пропонує нові технологічні процеси та схеми, що забезпечують суттєве підвищення ефективності використання основних видів природного органічного палива з одночасним значним скороченням забруднення довкілля шкідливими викидами. При цьому як головні процеси пропонується використовувати піроліз або газифікацію, одержувані в результаті цього тверді, рідкі та газоподібні речовини можуть бути використані як цінні продукти різного призначення в залежності від потреб промисловості.

У світлі вищесказаного особливу значущість як сировину набувають горючі сланці. Так у Приволзькому федеральному окрузі Державним балансом враховуються 40 родовищ і ділянок горючих сланців, розташованих у Ульяновській, Самарській, Саратовській та Оренбурзькій областях, із сумарним балансовим запасами кат. А+В+С 1 - 1233,236 млн т, З 2 - 2001,113 млн т, позабалансовими - 468,753 млн т.

Переважна частина балансових запасів горючих сланців округу (53,9%) знаходиться на 24 ділянках для підземного відпрацювання у Самарській області. Дещо менша частина балансових запасів горючих сланців округу (30,5 %) враховується на 4 ділянках для відкритої розробки Оренбурзької області, 6 ділянках для підземної та одній - для відкритої розробки в Саратовській області (11,7 %) та на п'яти ділянках для підземної розробки в Ульянівській області (3,9%).

Балансові запаси горючих сланців п'яти об'єктів для відкритої розробки становлять 33,8 від таких за Приволзьким федеральним округом. Інші балансові запаси горючих сланців округу враховуються на 35 об'єктах для підземного способу відпрацювання. Проте у зазначених областях виявлено горючі сланці а й у республіці Татарстан (табл. 1), республіці Башкирія та інших. всі вони одного геологічного віку - юрського періоду.

Однак найбільший інтерес представляють характеристики пального сланцю Кашпірського родовища (табл. 2) єдиного на сьогоднішній день з промислово, що розробляються.

На рис. 1 представлена ​​принципова технологічна схема процесу, а - принцип роботи.

Таблиця 1

Характеристика горючих сланців Республіки Татарстан

Таблиця 2

Характеристика Кашпірського пального сланцю

Мал. 1. Технологічна схема термічної переробки сланцю в агрегаті УТТ-3000: 1 – аерофонтанна сушарка; 2 – циклон сухого сланцю; 3 – змішувач; 4 - барабанний реактор; 5 - пилова камера; 6 – технологічна топка; 7 – байпас; 8 - циклон теплоносія; 9 – зольний циклон; 10 - котел-утилізатор; 11 - зольний теплообмінник

Основними товарними продуктами термічної переробки 1 т сланцю, що має теплоту згоряння Q н р = 8,4 МДж/кг, є:

1) рідке малосірчисте та малозольне котельне паливо з теплотою згоряння 37,0 Мдж/кг у кількості 90 кг;

2) рідке газотурбінне паливо з теплотою згоряння 39,0 МДж/кг у кількості 40 кг;

3) газ напівкоксовий з теплотою згоряння 46,1 МДж/м3 у кількості 39,6 м3;

4) газовий бензин із теплотою згоряння 41,2 МДж/кг у кількості 7,9 кг.

При цьому технологічний газ, що відокремлюється в апараті 5, може стати альтернативою нафтовій сировині в наступних процесах: виробництво метанолу; синтезу етиленгліколю та глецерину; каталітичний синтез метану, отримання етилену та етану; синтез граничних, ненасичених та вищих вуглеводнів та ряд інших.

Питання ефективного використання палива при комплексній його переробці з виробництвом електричної та теплової енергії, синтез-газу, водню, хімічних продуктів завжди перебували у центрі уваги вітчизняних та зарубіжних теплоенергетиків. Проведено дослідження з комплексної переробки Поволзьких горючих сланців у газогенераторах Lurgi на парокисневому та пароповітряному дутті під тиском до 2 МПа. Отриманий газ в основній своїй частині складається з горючих газів, смоли та газового бензину, його теплота згоряння досягає 16 МДж/м 3 . Схема парогазової установки на продуктах газифікації показано на рис. 2.

Для зазначеної схеми виконано оптимізацію схем та робочих параметрів газифікації сірчистих сланців Поволжя для використання в ПГУ. У цьому її відрізняє досить висока економічна ефективність (у цінах 2005 р.): ЧДД = 2082,28 млн крб., тобто. у 3,9 рази вище, ніж аналогічна установка на природному газі, індекс прибутковості більший на 28,9 %, а термін окупності на півроку менший.

Особливої ​​значущості на сьогоднішній день набуває установки для термічної переробки сланцю на базі трубчастих реакторів типу газовзвесь (рис. 3). Принцип роботи установки детально викладено у .

Ця установка дає можливість ефективно керувати процесом термічної обробки твердого палива та отримувати продукти необхідної якості. Для цього використовуються високошвидкісні режими нагріву паливної газоваги в трубчастих реакторах і охолодження одержуваних парогазових цільових продуктів в загартованому теплообміннику. Змінюючи температурний рівень та час перебування того й іншого потоків у зоні теплової обробки, можна впливати на склад одержуваних продуктів.

Мал. 2. Принципова схема ПГУ із внутрішньоцикловою газифікацією горючих сланців: ГГ – газогенератор; Ск - скрубер очищення парогазової суміші від смоляних продуктів та водяної пари; Х – попередній холодильник; Аб - абсорбер тонкого очищення від кислих газів; Дб-1, Дб-2 - десорбер першого та другого ступеня очищення; І - випарник водоаміачної АбХМ; АбХ – абсорбер АбХМ; К – конденсатор АбХМ; Г – генератор АбХМ; РК – реакційна камера установки виробництва сірки; КУs - котел-утилізатор установки виробництва сірки; Кs – конденсатор сірки; P – роздільник рідин; БХО – система біохімічного очищення стічних вод; ВРУ - повітророзподільна установка; ів - вода, що охолоджує; сб - сланцевий бензин

Мал. 3. Схема установки пірогазіфікації: 1 - корпус; 2 - решітка газорозподільна; 3 - киплячий шар; 4 - трубчасті реактори; 5, 8 - живильники-дозатори; 6, 9 – сепаратори; 7 - теплообмінник загартований; 10 - теплообмінник зольний; 11 – топка технологічна; 12 - теплообмінник «газ-повітря»; 13 - стояк

Для дозованої подачі паливних частинок реакторні труби може бути використаний киплячий шар. Такі дозатори успішно використовуються для живлення вугільним пилом пальників великих енергетичних котлів.

Існуючі та розроблювані способи пірогазіфікації дозволяють перетворити на горючі гази 60-70 % вуглецю, наявного в твердому паливі. Решта витрачається в процесі горіння для отримання тепла, необхідного для здійснення ендотермічних реакцій газифікації.

Висновок

Показано перспективну можливість заміни традиційних джерел вуглеводнів для отримання технологічних газів з використанням ресурсу горючих сланців. Наведено найбільш вивчені схеми комплексного використання горючих сланців для отримання енергоносіїв, електричної та теплової енергії.

Дослідження виконано за фінансової підтримки РФФІ та Уряду Республіки Татарстан у рамках наукового проекту №15-48-02313 «р_поволжя_а».

Бібліографічне посилання

Мракін А.М., Селіванов А.А., Морєв А.А., Мінгалєєва Г.Р., Галькеєва А.А., Савельєв В.В. ОТРИМАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ГАЗІВ ПРИ ТЕРМОХІМІЧНІЙ КОНВЕРСІЇ ПАЛЬНИХ СЛАНЦІВ ПОВОЛЖЯ // Міжнародний журнал прикладних та фундаментальних досліджень. - 2015. - № 10-3. - С. 429-432;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7512 (дата звернення: 20.04.2019). Пропонуємо до вашої уваги журнали, що видаються у видавництві «Академія Природознавства»