Автореферат (Разработка и исследование энергоэффективных процессов адсорбционного аккумулирования метана), страница 3

На Рисунке 3представлена зависимость максимального количества аккумулируемого метанаот расчетного давления заправляемого баллона, а на Рисунке 4 – относительнаяполезная масса заправляемого метана (отношение массы метана к массебаллона-тары с адсорбентом). Как видно из Рисунка 3, количествоаккумулируемого различными адсорбентами газа отличается не более чем на10 % при давлениях более 7 МПа и 14 % при 3,5 МПа. Кривые адсорбентовАУ-1 и АУ-6 оченьблизки и практическисливаются на графике.Рисунок 3.Зависимостьмаксимальногоколичествазаправляемого метана отрасчетного давлениябаллона.Номер линии – номерадсорбента (АУ-1…7)В отличие от Рисунка 3, на Рисунке 4 кривые имеют максимумы,соответствующие наибольшей полезной относительной массе.

Максимумыотносительной полезной массы для всех адсорбентов пришлись на область от16 до 19 МПа – именно на такое давление целесообразно рассчитывать баллоныадсорбционной системы. Указанной области давлений соответствует удельноеколичество аккумулируемого газа от 178 до 209 м3(нтд)/м3 согласно Рисунку 4.Данные области близки к традиционным баллонам и технологии КПГ, чтооблегчает процесс перехода на адсорбционную технологию.

Наилучшиемассовые показатели демонстрируют адсорбенты с минимальной насыпнойплотностью и наибольшим объемом пор: АУ-1 и АУ-6.Кроме аккумулирующих не менее важными представляются иэнергетические характеристики адсорбционных систем. Это особенноактуально в связи с тем, что при адсорбции и десорбции выделяется или8поглощается значительное количество теплоты, препятствующее процессамзаправки и выдачи газа. Для расчета энергетических характеристик необходимоперейти от термодинамики адсорбентов к термодинамике адсорбционныхсистем.Рисунок 4.Зависимость относительнойполезной массы от расчетногодавленияцельнометаллическогобаллонаприусловиимаксимальнодопустимого заполнения.Номер кривой – номерадсорбента (АУ-1…7);ограничений по толщинестенки нетЕсли проинтегрировать дифференциальную мольную изостерическуюэнтальпию системы «адсорбент – адсорбат» (∂h1/∂a)T из выражения (2),получим изменение «суммарной» энтальпии адсорбционной системыадсорбент-адсорбат в процессе равновесной адсорбции при T=const:a2a2 ∂h1 (∆h1 )T = ∫   ⋅ d (a) = ∫ (hg − qst ) ⋅ d (a) ,(5)∂a Ta1 a1где h1 – удельная энтальпия адсорбционной системы «адсорбентадсорбат», приведенная к массе адсорбента;hg – энтальпия газовой фазы, равновесной адсорбции a;a1 и a2 – начальная и конечная адсорбция в данном процессе.Если за точку отсчета взять отвакуумированную адсорбционную систему,то a1≈0.

Формула (5) пригодна для расчета энтальпий, поскольку энтальпияявляется термодинамическим потенциалом, характеризующим состояниесистемы, и не важно, каким именно процессом достигается состояние 2.Удельная энтальпия h1 является строгим свойством адсорбента, нонеудобной в технических расчетах величиной, поскольку адсорбционнаясистема находится в контакте с газовой составляющей. Удельная энтальпияполной адсорбционной системы «адсорбент-адсорбат-газ» hΣ с учетомприведенной к массе адсорбента энтальпии газовой составляющей hg.прив:hΣ = h1 + hg .прив = cАУ ⋅ (T − T0 ) + ( ∆h1 )T + h10 + hg ⋅ρg ⋅ ε,ρp(6)где сАУ ≈ 0,84 кДж/кг·К – теплоемкость адсорбента (активного угля);h10 – «нулевая» энтальпия (точка отсчета) при условно принятыхтемпературе T0 (273,15 К) и нулевом абсолютном давлении (давлениерегенерации адсорбента в экспериментах, от 0 Па до 1 Па).

Энтальпия газаотсчитывалась от температуры 273,15 К и давления 101325 Па.9Рассчитанные в широкой области температур (от 180 до 400 К) идавлений (от 100 Па до 25 МПа) аккумулирующие (удельное количество газа) итермодинамические (энтальпия системы) свойства адсорбционных систем былисведены в номограммы для каждого адсорбента. На номограмме нанесенытакже изотермы, изобары, изоэнтальпы (вертикальные линии) и линиипостоянного количества газа (условно «изохоры», горизонтальные линии).На Рисунке 5 приведена простейшая схема заправки адсорбционнойсистемы, а на Рисунке 6 – область номограммы с примером для расчетапредставленной на Рисунке 5 заправки.Рисунок 5.Схема рассматриваемой вкачестве примера системызаправки адсорбера,заполненного исследуемымадсорбентомРисунок 6.Пример расчета спомощьюномограммы дляадсорбента АУ-1На Рисунке 6точка1–начальнаяточкаваккуумированнойадсорбционнойсистемы.

Точка 2s– конечная точкаприадиабатной(без отвода теплоты в окружающую среду) заправке до 4 МПа. Прямая 1-2s-a-bстроится из предположения, что подаваемый в адсорбер газ (перед дросселем –Рисунок 5) имеет постоянные давление (не совершает техническую работу надсистемой в пределах контрольной поверхности) и энтальпию. При этомэнтальпия заправляемой системы увеличивается пропорционально количествугаза. Если после адиабатной заправки сбросить выделившуюся теплотуадсорбции в окружающую среду и охладить до начальной температуры припостоянном давлении, то система придет в состояние 2т.

Приведенное к 1 кгадсорбента количество сброшенной теплоты можно пересчитать из отрезка 2тa. Если осуществить дальнейшее охлаждение системы и перейти к состоянию2х, то дополнительное приведенное количество отводимой теплоты можно10рассчитать из разности отрезков 2х-b и 2т-а. Номограммы удобны и для расчетадругих процессов в системе. Следует отметить, что в номограммах не заложенатеплоемкость емкости (баллона).В работе приведена классификация адсорбционных систем поорганизации заправки и эксплуатации, которая позволяет проследитьвозможные пути повышения её эффективности. Для анализа были выбраны 3основных характеристики (критерия), определяющие эффективность иконкурентоспособность адсорбционных систем:1) удельное количество заправляемого (или извлекаемого) газа Vуд;2) затраты энергии на заправку L;3) критерий безопасности KБ, сложный критерий, который в первомприближении можно свести к критерию давления KP, который являетсяфункцией давления заправки/хранения.Рассматриваемые в работе методы усовершенствования адсорбционныхсистем направлены на увеличение количества газа, снижение затрат энергиии/или давления в системе (на повышение безопасности).

В общем случае, приусовершенствовании адсорбционных систем могут меняться все трихарактеристики. Однако можно выделить три задачи усовершенствования,наиболее полно соответствующие возможной реальной практике:1) при постоянных затратах энергии (L = const) обеспечить наилучшуюкомбинацию большого количества аккумулируемого газа и минимальногодавления заправки;2) при постоянном количестве газа (Vуд = const, например, для заправкисуществующих баллонов с максимальным количеством газа) обеспечитьнаилучшую совокупность минимальных затрат энергии и минимальногодавления;3) при постоянном давлении (P = const, KP = const) обеспечитьнаилучшее сочетание максимального количества газа и минимальных затратэнергии (усовершенствование автозаправочных станций с уже имеющимсяуровнем давления).Возможность прямой заправки из магистрального газопровода (придавлениях от 3 до 7 МПа и выше) значительного количества метана(природного газа) без затрат энергии (L ≈ 0) выгодно выделяет адсорбционноеаккумулирование среди других видов.

В этом случае решается задача 1). Вкачестве критерия оценки можно выбрать абсолютную эффективностьадсорбционного концентрирования.Абсолютная эффективность адсорбционного концентрирования –получаемое за счет адсорбента преимущество в количестве запасаемого газа:∆V = Vуд − Vg ,(7)где Vуд и Vg – удельные количества аккумулируемого метана в м3(нтд)/м3в случаях баллонов с адсорбентом и без (образцовая система) при одинаковыхдавлениях (L ≈ 0).На Рисунке 7 представлены зависимости абсолютной эффективностиадсорбционного концентрирования в случае адсорбента АУ-1. Представлены11адиабатная (без теплообмена с окружающей средой и сброса теплотыадсорбции) и изотермическая (со сбросом теплоты адсорбции) заправки.Зависимость абсолютной эффективности адсорбционного аккумулированияимеет выраженный максимум и удобна для оптимизации.

Выделение теплоты(адиабатная заправка) существенно снижает выигрыш в количестве газа.Рисунок 7.Зависимостьабсолютнойэффективности адсорбционногоконцентрирования от давлениязаправки и типов заправкиИзотермическая заправка:1 – при минус 20 ºС; 2 – приплюс 5 ºС; 3 – при плюс 30 ºС.Адиабатнаязаправкаприначальных температурах:4 – минус 20 ºС; 5 – плюс 5 ºС; 6– плюс 30 ºСВ пределах городов давление в газопроводной сети ниже, не более1,3 МПа. В этом случае требуется затрачивать энергию на сжатие газа илиработу холодильной машины. В качестве расчетной задались среднегодовойтемпературой окружающей среды в г. Москве 5 °С (278,15 К). В качествеобразцовых систем можно выбрать систему КПГ при 19,6 МПа, наиболеераспространенную в мире газовую систему; систему СПГ в качествеближайшего конкурента КПГ и адсорбционную систему с целевым уровнем от150 до 180 м3(нтд)/м3 при 3,5 МПа и 25 °С (от 166 до 200 м3(нтд)/м3 припересчете на 5 °С) – Рисунок 8.Как видно из Рисунка 8, через точки, соответствующие КПГ, СПГ илучшим адсорбционным системам проходит прямая, которая была выбрана вкачестве прямой «конкурентоспособных образцовых систем хранения».Рисунок 8.Аккумулирующие и энергетическиехарактеристики при давлении висточнике газа 0,1 МПа дляразличных систем хранения: АПГ –адсорбционная;КПГ–компримированного (при 19,6 МПа)природного газа; СПГ – сжиженногоприродного газа; прямая – линия«образцовых» систем;– системаСПГ ОП-3.0 ОАО «Криогенмаш»прикоэф-фициентезаполнениясосуда 0,85.12В работе использовался коэффициент аккумулирования как критерийоптимизации или оценки конкурентоспособности: отношение количества (Vуд вм3(нтд)) или массы (mуд) аккумулируемого газа в рассматриваемой системе кколичеству (Vуд.обр в м3(нтд)) или массе (mуд.обр.) газа в образцовой системе приодинаковых удельных затратах энергии на заправку обеих систем:VудmудKА ==.(8)Vуд.обр.

mуд.обр.Можно считать, что KA=1 соответствует системе, не уступающей поаккумулирующим и энергетическим характеристикам КПГ и СПГ. В силубольшей безопасности адсорбционная система является конкурентоспособной ипри KA<1. Например, первоначальный целевой и конкурентоспособный уровеньМинистерства Энергетики США 150 м3(нтд)/м3 соответствует KA=0,83, алучшие экспериментальные активные угли дают KA ≈ 0,85.При расчете затрат энергии на сжатие газа рассчитывалась удельнаяизотермическая техническая работа сжатия (с учетом реальных свойств метанав виде летучестей), приведенная к объему газа в м3(нтд), а для перехода кдействительным затратам энергии использовался изотермический КПДкомпрессора, принятый во всей работе равным ηT=0,6.На Рисунке 9 приведены зависимости количества заправляемого газа отзатрат энергии при изотермической и адиабатной заправках адсорбционнойсистемы.