Автореферат (Разработка и исследование энергоэффективных процессов адсорбционного аккумулирования метана)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. На сегодняшний день актуальной задачейявляется постепенное сокращение использования нефти и переход наальтернативные виды топлива, среди которых особенное место занимаетприродный газ и составляющий его основу метан. Он дешевый в странах,занимающихся его добычей, в том числе в РФ, с точки зрения экологииотносительно безопасный и уже повсеместно используется в качестве топлива.Основным препятствием для использования природного газа (метана), вчастности на транспорте, является несовершенство систем хранения. Насегодняосновноераспространениеполучилисистемысжатого(компримированного) газа (КПГ): природный газ сжимается до давления20 МПа и выше и закачивается в баллоны.

Основными недостатками являютсямалое количество запасаемого газа (от 220 до 260 м3(нтд)/м3 сосуда, где1 м3(нтд) – 1 м3 газа при нормальных температуре 20 °С и давлении 101325 Па)и повышенные требования безопасности, что ограничивает их применение впределах городов. Другим распространенным способом является хранение всжиженном состоянии (СПГ – сжиженный природный газ). Система отличаетсязначительным количеством запасаемого метана (от 470 до 570 м³(нтд)/м³),однако дороже и требует более высоких мер безопасности, связанных сдренажем испаряющегося метана, теплоизоляцией и высокой плотностьюиспаряющегося (холодного) метана, который стелется по земле.Для использования в городских условиях целесообразны болеебезопасные условия заправки и хранения, которые обеспечиваютадсорбционные системы аккумулирования. Системы отличаются пониженнымдавлением (по сравнению с КПГ) и адсорбированным («связанным»)состоянием, что существенно уменьшает скорость выхода газа приразгерметизации.Данная работа посвящена исследованию аккумулирующих иэнергетических характеристик ряда адсорбентов, пригодных для использованияв адсорбционных системах хранения.

В работе анализируются различныеспособы повышения эффективности адсорбционного аккумулирования, как засчет выбора адсорбента, так и за счет энергосберегающей организациипроцесса заправки и подбора режимов аккумулирования/хранения.Цель работы. Целью работы является исследование свойствадсорбционных систем аккумулирования природного газа (метана) с цельюповышения их эффективности.Основные задачи:1. Экспериментальное исследование адсорбции метана на рядеуглеродных микропористых адсорбентов различного происхождения иструктурно-энергетических характеристик в широких областях давлений итемператур (от 0 до 25 МПа и от 178 до 360 К), включающих и докритическую,исверхкритическуюобластьравновесногогаза;определение1термодинамических свойств данных адсорбентов на основе полученныхрезультатов.2. Определение термодинамических свойств адсорбционных систем иобобщение результатов в номограммы, применимые для расчетов процессов вадсорбционных системах.3.

Анализаккумулирующихиэнергетическиххарактеристикохлаждаемых и неохлаждаемых адсорбционных систем.4. Анализ применения многоступенчатой заправки (с помощьюнескольких уровней давления) для повышения энергоэффективностиадсорбционных систем.Научная новизна:1. Впервые получены экспериментальные данные по адсорбции метана вширокой области давлений (от 0 до 25 МПа) и температур (от178 до 360 К), включающей докритическую и сверхкритическую областиравновесного газа, на ряде микропористых углеродных адсорбентов,различающихсяпроисхождениемиструктурно-энергетическимихарактеристиками.2.

Проведена оптимизация параметров состояния адсорбционнойсистемы аккумулирования метана по адсорбционной активности метана наисследованных адсорбентах.3. Впервые построены термодинамические номограммы в интервалахтемператур от 180 до 400 К и давлений от 100 Па до 25 МПа, позволяющиерассчитывать основные процессы в адсорбционных системах аккумулированияметана.4. Впервые термодинамически обосновано применение низкихтемпературдляповышенияэнергоэффективностихарактеристикадсорбционных систем аккумулирования метана, а также для понижениядавления заправки.Практическая значимость работы:1.

Результаты экспериментального исследования адсорбции метана наряде углеродных адсорбентов применимы для разработки стационарных имобильных хранилищ природного газа на основе адсорбционных технологий.2. Предложена и обоснована технология многоступенчатой заправки (наразных уровнях давлений) адсорбционной системы, обеспечивающейсущественную экономию затраченной энергии; указаны области эффективногоприменения.3. Сформулированы рекомендации по выбору способа храненияприродного газа (метана) (сжатый газ или адсорбционная системааккумулирования), типа и режимов заправки, числа ступеней заправки ивозможности охлаждения.Внедрение результатов работы.Результаты работы использовались для выполнения научноисследовательской работы в рамках федеральной целевой программы«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно2технического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме «Разработкатехнических основ и создание энергосберегающей адсорбционной системыпитания автомобилей природным газом (метаном) для эксплуатации в условияхгорода» (Государственный контракт № 16.516.12.6006 от 23.09.2011 г.).Предложенные в рамках работы технологии многоступенчатой инизкотемпературной заправок легли в основу выполняемого в МГТУ им.

Н.Э.Баумана проекта в рамках реализации федеральной целевой программы«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» по теме: «Разработкаи исследование адсорбционной системы аккумулирования природного газа сповышеннойпожаровзрывобезопасностьюиэнергоэффективностью»(Соглашение № 14.577.21.0125 о предоставлении субсидии от 20.10.2014 г.).Достоверность и обоснованность полученных результатов.Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждаетсяприменением аттестованных измерительных средств, апробированных методикизмерения, воспроизводимостью и хорошим соответствием результатов,получаемых различными экспериментальными методами на различныхустановках, а также использованием классических термодинамическихзависимостей.На защиту выносятся:1. Результаты экспериментального исследования равновесной адсорбцииметана на ряде активных углей различного происхождения и структурноэнергетических характеристик в широком диапазоне давлений (до 25 МПа) итемператур (от 178 до 360 К).2.

Номограммы термодинамических свойств адсорбционных системаккумулированного метана, основанных на исследованных адсорбентах.3. Результаты анализа эффективности неохлаждаемой и охлаждаемойадсорбционной системы аккумулирования метана; рекомендации по выборуоптимальных областей давлений и температур заправки на основе различныхкритериев.4. Результаты анализа применения многоступенчатой заправки дляповышения эффективности адсорбционных систем аккумулирования метана.Апробация работы.Основные результаты работы были представлены в виде устных истендовых докладов на следующих конференциях: на XIV Всероссийскомсимпозиуме «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости иадсорбционной селективности» (Москва, 2010); на второй Международнойнаучной конференции «Промышленные газы» (Москва, 2011); на XIМеждународной конференции «Современные проблемы адсорбции» (Москва,2011); на III Всероссийской молодежной конференции с элементами научнойшколы (Москва, 2012), на Всероссийской конференции с международнымучастием «Актуальные проблемы теории адсорбции, пористости иадсорбционной селективности (Москва, 2014), на II Всероссийскойконференции с международным участием «Актуальные проблемы теорииадсорбции, пористости и адсорбционной селективности» (Москва, 2015).3Личный вклад автора заключается в проведении экспериментальныхисследований адсорбции, обработке результатов, в построении расчетныхтермодинамических номограмм адсорбционных систем с исследованнымиадсорбентами, а также в предложении, обосновании и анализе различныхспособов повышения эффективности адсорбционных систем.Публикации: по результатам диссертации опубликовано 5 научныхстатей в журналах, рекомендуемых ВАК, 1 доклад, тезисы докладов – 5.Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырехглав, выводов и списка литературы.