16+
Регистрация
РУС ENG
Расширенный поиск
http://www.eprussia.ru/teploenergetika/29/2603203.htm
Газета "Энергетика и промышленность России" | № 02 (29) апрель 2017 года

Сэкономить «голубое топливо» внутри страны

Генерация/сети К. т. н. Евгений ДУБРОВИН, к. т. н. Игорь ДУБРОВИН
Сэкономить «голубое топливо» внутри страны

Слово «экономить» в русском языке означает «расходовать бережно, тратить разумно, сберегать, получать выгоду». Очевидно, что расходовать бережно, тратить разумно, сберегать следует и «голубое топливо», как в России называют природный газ.

Рациональное использование «голубого топлива» на внутренние нужды нашей страны – не только объективная необходимость, но и требование сегодняшнего дня, поскольку природный газ, как известно, является высококачественным углеводородным горючим, стратегическим природным энергоресурсом и национальным достоянием ныне живущих граждан Российской Федерации и будущих поколений россиян; кроме того, это высоколиквидный товар на мировом рынке.



О добыче газа и газификации страны

По данным Росстата, в 2015 г. в Российской Федерации было добыто около 438 млрд кубометров природного газа, из которых 221,2 млрд кубометров поступило на внутренний рынок страны, а остальное было экспортировано за рубеж. Несмотря на то что количество добытого в 2015 г. природного газа по сравнению с предыдущими годами несколько снизилось, объемы его добычи и внутреннего потребления по‑прежнему остаются внушительными.

В 2015 г. из потребленного внутри страны природного газа израсходовано:

• на бытовые нужды 53,1 млрд кубометров (24 %);
• на обеспечение работы жилищно-коммунального комплекса 35,4 млрд кубометров (16 %);
• на функционирование энергетики и промышленности 79,6 млрд кубометров (36 %),
• на прочие нужды 53,1 млрд кубометров (24 %).

На 1 января 2016 г. уровень газификации регионов России в среднем составил 66,2 %, а в сельской местности немногим более 56 %. Сегодня наиболее газифицированы Южный, Центральный и Северо-Западный федеральные округа, где уровень газификации превышает 75 %. Самыми газифицированными городами России являются Казань (96 %), Москва (89 %) и Санкт-Петербург (85 %). В то же время некоторые регионы страны, например Республика Саха (Якутия) и Мурманская область, газифицированы менее чем на 15 %, а Магаданская область вообще не газифицирована. Очевидно, что газификация, или перевод энергетического комплекса страны на использование газообразного топлива и значительное увеличение доли природного газа в топливно-энергетическом балансе нашего государства, требует постоянного увеличения объемов его поставок на внутренний энергетический рынок.

Природный газ, как известно, ресурс невозобновляемый, поэтому его рациональное использование и всемерная экономия внутри страны являются важной стратегической задачей государства. При этом становится очевидным, что чем больше природного газа будет сэкономлено внутри страны, тем больше его можно будет продать за рубеж, пополняя, таким образом, государственную казну. Экономию же природного газа внутри страны можно получить на основе внедрения и использования инновационных ресурсосберегающих технологий, позволяющих более рационально и качественно сжигать этот вид топлива.



Характеристики газа, влияющие на его использование

Известно, что использование любого вида топлива определяется в том числе и его характеристиками, улучшающими или ухудшающими процесс сжигания. Природный газ, как и любое углеводородное топливо, тоже обладает такими характеристиками.

К улучшающим характеристикам, в первую очередь, необходимо отнести агрегатное (газообразное) состояние «голубого» топлива. Любое топливо, как известно, горит только в парообразном состоянии, именно поэтому перед сжиганием, например, жидкого или твердого горючего необходимо сначала произвести процесс его газификации. Для реализации процесса паро­образования в топливных системах используются различные специальные технические устройства, например карбюратор и форсунки. Кроме того, на процесс газификации затрачивается определенное количество выделяемой при горении топлива энергии. Природный газ перед сжиганием перевода в парообразное состояние, то есть газификации, не требует, что повышает эффективность процесса его горения. Именно поэтому газоподающая система топливосжигающих установок более проста в конструкции и эксплуатации, поскольку в ней отсутствуют форсунки, распылители, топливные насосы, подогреватели, дробилки и другие сложные элементы, необходимые для распыления различных негазообразных видов углеводородного топлива перед горением.

К следующей улучшающей характеристике относится отсутствие в составе природного газа тяжелых высокомолекулярных углеводородных соединений, что повышает качественные показатели процесса его сжигания, например, за счет отсутствия на поверхностях нагрева и в элементах выходного тракта топливосжигающих установок большого количества отложений от несгоревшего топлива. Малое количество отложений способствует более интенсивной теплопередаче большего количества энергии от сгораемого топлива, снижению затрат на наружную чистку поверхностей нагрева и увеличению сроков между этими чистками.

Говоря о характеристиках природного газа, нельзя обойти стороной и вопрос его теплотворной способности, калорийности или теплоты сгорания. Сегодня теплотворную способность (калорийность) природного газа принято измерять в объемных единицах кДж / м3, поэтому все расчеты для природного газа проводятся с использованием так называемой объемной калорийности. Не зная этого, большинство людей сравнивают объемную теплотворную способность природного газа (кДж / м3) с весовой (кДж / кг) теплотворной способностью других жидких и твердых энергоносителей, что не совсем корректно. Очевидно, что для правильной и корректной оценки сравнение калорийности (теплоты сгорания) того или иного вида углеводородного топлива должно производиться в одних и тех же единицах измерения.

Для примера сравним калорийность природного газа с наиболее широко используемым для отопления в нашей стране топочным мазутом М-100. Сначала необходимо перевести теплоту сгорания российского природного газа из объемной (38231 кДж / м3), умножив на плотность (0,68‑0,85 кг / м3), в весовую (~45000‑56000 кДж / кг). Затем полученное значение сопоставить с калорийностью топочного мазута М-100 (40610 кДж / кг). Сравнение показывает, что калорийность природного газа в 1,1‑1,4 раза выше аналогичного показателя топочного мазута М-100, что явно в пользу газообразного топлива. Это значит, что для получения одного и того же количества тепловой энергии природного газа требуется сжечь на 10‑40 % меньше, чем топочного мазута, а следовательно, и стоимость единицы тепловой энергии при сжигании газа меньше, чем стоимость единицы той же тепловой энергии при сжигании топочного мазута.

К ухудшающим характеристикам природного газа следует отнести:

1. Сброс в атмосферу большого количества оксидов азота (NOx). Азот (N) в зону горения поставляется как природным газом («топливный» азот), так и атмосферным воздухом («воздушный» азот). В составе атмосферного воздуха, поступающего на горение, как известно, содержится до 78 % азота. Учитывая, что природный газ сжигается при значительно завышенных коэффициентах избытка воздуха (ά), в воздушный бассейн в составе дымовых газов сбрасывается не менее 83‑85 % оксидов азота, даже несмотря на то, что «топливный» азот в природном газообразном горючем составляет менее 0,2 %.

Оксиды азота, образующиеся при сжигании природного газа, имеют высокие концентрации, высокотоксичные и экологически небезопасные и, к сожалению, не единственные загрязнители атмосферы. Сажа, или молекулярный углерод, (С), пусть и в значительно меньших количествах, но присутствует в составе продуктов сгорания «голубого» топлива, что вызвано несовершенством организации процесса горения.
Таким образом, использование энергокомплексов, сжигающих природный газ, требует дополнительных расходов на обеспечение и поддержание экологической чистоты их топливосжигающих установок, что снижает эффективность использования «голубого топлива».

2. Высокая взрыво- и пожароопасность. Высокая активность углеводородных молекул, агрегатное состояние и химический состав природного газа могут привести в том числе и к самопроизвольному возникновению и протеканию неконтролируемой реакции окисления или ко взрыву. На практике это означает, что при использовании в качестве горючего природного газа требуется обязательная реализация довольно сложных и дорогостоящих противовзрывных и противопожарных мероприятий, например использование специальной газоплотной арматуры, что в конечном итоге снижает или ограничивает широкое использование «голубого топлива».

3. Зависимость свойств и агрегатного состояния природного газа от давления и температуры наружного воздуха. Как известно, основной причиной изменений агрегатного состояния, а значит, и свойств различных химических веществ являются перепады температуры и/ или давления, а также изменение влажности окружающей среды. Природный газ также подчиняется этому правилу. Так, при нормальном атмосферном давлении и малой влажности уменьшение температуры наружного воздуха до –25° С и ниже приводит к переходу природного газа из газообразного состояния в жидкую фазу с более высокой вязкостью, следствие чего – прекращение текучести газа по газопроводам, то есть газ становится нетранспортабельным. В то же время подогрев природного газа для восстановления текучести строго запрещен в связи с его высокой взрыво- и пожароопасностью. Существенная зависимость физических свойств «голубого топлива» от внешних условий окружающей среды, возможно, и является основной причиной отсутствия газификации Магаданской области и других северных и северо-восточных регионов России, где в зимний период температура воздуха опускается значительно ниже –25° С.

4. Необходимость использования жаропрочных материалов. Высокая теплота сгорания российского газа (~45000‑56000 кДж / кг) требует изготовления элементов и деталей зоны горения топливосжигающих установок из жаропрочных, а значит, более дорогих материалов по сравнению с аналогичными изделиями установок, отап­ливаемых жидкими и твердыми видами топлив. Использование природного газа в установках с обычными конструкционными материалами, как показывает опыт эксплуатации, становится причиной прогорания отдельных их элементов и газовыходного тракта. Очевидно, что применение более дорогих материалов в топливо­сжигающих установках, работающих на «голубом топливе», также усложняет его применение, поскольку приводит к удорожанию процесса сжигания.



Технологию сжигания газа необходимо менять

Рациональное использования природного газа с каждым годом приобретает все большую актуальность, что вызвано целым рядом объективных причин. Во-первых, быстрым истощением запасов природного газа в России при его сегодняшних огромных объемах добычи. Так, только в течение 2015 г. из российских недр добывалось не менее 1,2 (!) млрд кубометров газа в сутки. Во-вторых, значительным перерасходом природного газа и «отоплением» им атмосферы, что вызвано использованием устаревшей технологии (12 / 15 частей воздуха на 1 часть газа) его сжигания и заведомо делает технологию сжигания «голубого топлива» малоэффективной, экономически невыгодной. В-третьих, интенсивным антропогенным тепловым и газовым загрязнением воздушного бассейна страны при сжигании природного газа с использованием устаревшей технологии. Так, по самым скромным подсчетам, например, при сжигании всего добытого за 2015 г. в России природного газа по применяемой сегодня технологии в атмосферу будет выброшено более 3300 млрд кубометров (~83 %) оксидов азота (NOx) и более 670 млрд кубометров (~17 %) оксидов углерода (СОх), сажи (С) и других экологически опасных химических элементов, соединений и веществ с температурой не менее 500° С. В-четвертых, сложным финансово-экономическим положением государства, вызванного в том числе падением мировых цен на природные энергоносители и действием экономических санкций против Российской Федерации.

Таким образом, для повышения эффективности сжигания природного газа необходимо внедрение и использование новых технологий его подготовки и сжигания.



Отличия предлагаемой технологии от применяемой

Применяемая сегодня технология использования всех видов углеводородных топлив практически не учитывает их характеристик. Агрегатное состояние природного газа, как было сказано выше, не требует затрат дополнительной энергии на газификацию, однако это существенное преимущество газа перед другими видами углеводородных топлив, способное значительно повысить эколого-экономическую эффективность его сжигания, в настоящее время в полной мере не используется.

Сегодня, к сожалению, технология сжигания всех углеводородных газообразных, жидких и твердых топлив практически одинакова и заключается в следующем: топливо и атмосферный воздух раздельно подаются в зону горения, где происходит их смешение и приготовление горючей топливовоздушной смеси; при этом реальный расход воздуха, подаваемый в зону горения, умышленно завышается и значительно превышает оптимальное количество окислителя, необходимое для правильной организации процесса горения. Это делается, во‑первых, для обеспечения сжигания углеводородных молекул различной структуры, химического состава, размеров и видов, а во‑вторых, с целью получения на срезе дымовой трубы бесцветного дыма, который выступает первичной визуальной оценкой качества организации процесса сжигания топлива и уровня обеспечения экологической чистоты топливо­сжигающей установки. К сожалению, природный газ не является исключением из общего правила.

По мнению авторов, одним из резервов экономии природного газа при организации сжигания может стать его предварительная подготовка к сжиганию.

Основными отличиями предлагаемой технологии от применяемой в настоящее время технологии являются:

1) внешнее, то есть до ввода в зону горения, а не внутреннее, то есть непосредственно в зоне горения (используется в применяемой технологии), приготовление горючей смеси;
2) приготовление воздушно-газовой, а не газо-воздушной (используется в применяемой технологии) горючей смеси;
3) предварительная гомогенизация (усреднение) подлежащих смешению компонентов горючей смеси (в применяемой технологии отсутствует);
4) получение горючей смеси с оптимальным содержанием горючего (1 кубометр природного газа) и окислителя (10 / 11 кубометров атмосферного воздуха; в применяемой технологии горючую смесь оптимального состава получить невозможно);
5) поддержание оптимального соотношения компонентов в подаваемой на горение воздушно-топливной смеси на всех режимах работы топливосжигающей установки (в применяемой технологии поддержание оптимального соотношения компонентов в горючей смеси невозможно);
6) регулирование количества подаваемого на сжигание в зону горения природного газа посредством изменения давления и расхода воздуха (в применяемой технологии регулирование количества топлива давлением и расходом воздуха невозможно).



Практическая реализация предлагаемой технологии

Практическая реализация предлагаемой технологии подготовки к сжиганию природного газа предполагает объединение газоподающей и воздухоподающей систем энергоустановки в единую воздухогазоподающую систему. Основным системообразующим элементом объединенной воздухогазоподающей системы является источник сжатого воздуха (например, воздушный вентилятор, воздушный компрессор или баллон ВВД), подающий атмосферный воздух заданных параметров (расход и давление), и многофункциональный струйно-кавитационный воздушно-газовый струйный аппарат (для природного газа – инжектор). В единой воздухогазоподающей системе инжектор одновременно выполняет ряд функций, а именно – гомогенизирует воздушные и углеводородные топливные молекулы, смешивает воздух и природный газ, приготавливает горючую смесь оптимального состава, поддерживает заданное соотношение смешиваемых компонентов на различных режимах работы топливосжигающей установки, изменяет (увеличивает или уменьшает) расход топлива, подаваемого на сжигание. Выходной патрубок струйно-кавитационного воздушно-газового инжектора соединен с подающим приготовленную горючую воздушно-газовую смесь непосредственно в зону горения газопроводом.

Принцип работы указанной объединенной воздухогазоподающей системы заключается в следующем.

Источник сжатого воздуха подает в струйно-кавитационный воздушно-газовый инжектор 10 / 11 частей атмосферного воздуха. При прокачке струйного инжектора воздухом в его приемной камере создается разрежение, достаточное для подсоса (всасывания) 1,0 (одной) части природного газа с избыточным давлением. В рабочей камере инжектора, а также в процессе смешения природного газа и атмосферного воздуха компоненты смеси подвергаются гомогенизации, то есть усреднению состава и размеров воздушных и углеводородных топливных молекул, а также смешению компонентов на молекулярном уровне. Из инжектора непрерывно выходит горючая воздушно-газовая смесь оптимального состава, которая далее подается непосредственно на сжигание. Особенностью и явным преимуществом использования струйно-кавитационного воздушно-газового инжектора в составе объединенной воздухогазоподающей системы является возможность организовать вентиляцию объема всей зоны горения. Эту вентиляцию, как известно, необходимо производить перед запуском и после остановки топливосжигающей установки с целью исключения скопления в зоне горения остатков недогоревшего топлива, приводящих к возникновению взрывов и пожаров. Для вентиляции объема зоны горения достаточно закрыть только запорное устройство на газопроводе подачи природного газа в инжектор, тогда в зону горения будет подаваться только воздух.

Смена режимов работы энергоустановки с единой воздухогазоподающей системой производится посредством изменения количества подаваемого на инжектор воздуха, при этом расход газа, поступающего для приготовления горючей смеси, также будет изменяться.
Подобная технология подготовки топлива к сжиганию уже реализована на сушильном барабане асфальтобетонного завода марки АБЗ МУАД АК «АЛРОСА» Д-508 в Республике Якутия, отапливаемом нефтяными отходами. Использование новой технологии на указанном объекте позволило экономить не менее 15 % горючего.

Использование представленной технологии приготовления природного газа к сжиганию, как показывают расчеты, позволит экономить до 15‑20 % «голубого топлива», главным образом, за счет устранения дополнительных затрат газа на мгновенный нагрев и перегрев лишнего атмосферного воздуха, не участвующего в процессе горения. Говоря иначе, за счет устранения значительных излишков воздуха, забираемого из атмосферы для приготовления горючей смеси.

Учитывая суммарные объемы сжигаемого в России природного газа, его экономия при использовании новой технологии может быть весьма существенной и ощутимой. Так, использование предлагаемой технологии при сжигании, например, всего количества «голубого топлива», поступившего на внутренний рынок России в 2015 г., позволило бы сэкономить не менее 33 млрд кубометров природного газа, что в денежном эквиваленте (в ценах с 01.07.2016 г.) составляет в среднем более 162 млн руб. в год.



Выводы

Физическое выживание и благополучие Российской Федерации, ее роль и место в мировой экономической системе, как показывает исторический опыт, зависит только от самой России. Хотят или нет наделенные властью чиновники всех уровней, но заниматься поиском и внедрением технических инноваций рано или поздно им придется, в противном случае России не выжить. Совершенствование технической составляющей государства – это не чьи‑либо прихоть или желание, а объективный закон научно-технического развития.

К сожалению, приходится констатировать, что сегодня многие отечественные инновационные технологии внутри нашей страны практически не востребованы. Это в полной мере относится и к новым технологиям топливоподготовки. Между тем, своевременное внедрение и использование новых отечественных технологий уже сегодня могло бы приносить нашему государству огромные прибыли, так необходимые в нынешних непростых внешних и внутренних экономических условиях.


Сэкономить «голубое топливо» внутри страны

Отправить на Email

Для добавления комментария, пожалуйста, авторизуйтесь на сайте

Также читайте в номере № 02 (29) апрель 2017 года:

  • Как на восходе авиации: почти паровые машины
    Как на восходе авиации: почти паровые машины

    В авиации для увеличения подъемной силы самолету добавляют второе крыло. Точно так же в энергетике и на транспорте с целью улучшения сгорания углеводородного топлива используют второй компонент – присадку.

  • Сэкономить «голубое топливо» внутри страны
    Сэкономить «голубое топливо» внутри страны

    Слово «экономить» в русском языке означает «расходовать бережно, тратить разумно, сберегать, получать выгоду». Очевидно, что расходовать бережно, тратить разумно, сберегать следует и «голубое топливо», как в России называют природный газ.

  • Биоэнергетика: трудности роста
    Биоэнергетика: трудности роста

    Альтернативная энергетика активно развивается во всем мире, по крайней мере, в «цивилизованной» его части. Эти процессы не обошли стороной и нашу страну, правда, пока в довольно скромных масштабах.

  • Коммунальщики в погонах отказываются от аутсорсинга
    Коммунальщики в погонах отказываются от аутсорсинга

    Обширное коммунальное хозяйство Минобороны дождалось новых преобразований. Ключевым звеном «реформы ЖКХ по Шойгу» становится отказ от введенной в 2008 г. системы аутсорсинга, внедренной экс-министром обороны Анатолием Сердюковым.

  • «Миньоны» с модулями неразрушающего контроля или Роботы на службе теплосетей
    «Миньоны» с модулями  неразрушающего контроля или Роботы на службе теплосетей

    Теплосетевой комплекс Санкт-Петербурга будет диагностироваться с помощью разработок Центра инновационных научно-производственных энергетических технологий (ЦИНПЭТ).

    << | < 1
  • 1
  • > | >>