Автореферат (Разработка и исследование энергоэффективных процессов адсорбционного аккумулирования метана), страница 4

В целом, KA адсорбционных систем существенно меньше 1 вплоть довысоких давлений, что обуславливается невысокими аккумулирующимисвойствами промышленного адсорбента АУ-1.Так как изотермическая заправка с отводом теплоты адсорбциисущественно эффективнее адиабатной (Рисунок 9), то целесообразнорассмотреть дальнейшее охлаждение при заправке как один из возможныхпутей увеличения эффективности.Другим способом увеличения эффективности является многоступенчатая(каскадная) заправка адсорбционной системы, как приближенная к идеальномупроцессу заполнения. Очевидно, что нет необходимости все количествозаправляемого газа сжимать до конечного давления и затем подавать в баллон.Достаточно разбить общее количество газа на ряд порций, каждую из которыхзаправлять до необходимого давления.

Упрощенная схема подобной станциипредставлена на Рисунке 10.Охлаждение и многоступенчатую заправку можно комбинировать. НаРисунке 11 представлены итоговые зависимости количества газа от затратэнергии при отдельных способах повышения эффективности и при ихсовместном использовании. Рассматривались только идеализированныепроцессы захолаживания системы и многоступенчатой заправки.

Расчетыпоказывают, что целесообразно охлаждение до температуры от 243 до 263 К (навеличину от 15 до 35 К относительно температуры окружающей среды) спозиции энергосбережения – экономия энергии от 5 до 20 % в зависимости отдавления в источнике газа. Охлаждение значительно увеличивает коэффициентаккумулирования и позволяет уменьшить давление заправки при том же13количестве газа. В перспективе охлаждение позволяет отказаться откомпрессора природного газа на станции.Рисунок 9.Зависимостьудельногоколичествааккумулируемогометанаотдействительныхзатрат энергии:1 – изотермическая и 2 –адиабатная адсорбционные(адсорбент АУ-1) заправки;3 – сжатый газ; прямые – линиипостоянного KA; давление висточнике газа 0,1 МПа (для 1,3МПа пунктирной линиейуказана дополнительная осьординат); температураокружающей среды 5 °С;– давление заправки в МПа;– сжатый газ при 19,6 МПа.Рисунок 10.Многоступенчатая заправка напримере трехступенчатой (НД,СД, ВД – низкое, среднее ивысокое давление).Многоступенчатая заправка значительно уменьшает затраты энергии, втом числе, с использованием охлаждения.

Экономия энергии относительноизотермической заправки составляет от 20 до 30 % при минимальном давлениив газопроводе и значительно увеличивается с ростом данного давления.Наибольший коэффициент аккумулирования достигается при трехступенчатойзаправке с охлаждением до температуры от 213 до 243 К. При трехступенчатойзаправке до 5 МПа с охлаждением до 213 К коэффициент KA ≈ 0,94, а при10 МПа с охлаждением легко достичь KA>1. Столь высокие коэффициентыаккумулирования достигаются с использованием обычного промышленногоадсорбента АУ-1, уступающего лучшим экспериментальным образцам в 1,5 или2 раза.

Многоступенчатая заправка с охлаждением позволяет одновременноувеличить количество газа, уменьшить затраты энергии и давление заправки.Проведенное исследование доказывает, что оптимизация условийзаправки может иметь более определяющую роль, нежели создание ииспользование новых экспериментальных адсорбентов. При этом обе задачи неявляются взаимоисключающими, и с новыми перспективными адсорбентамидостижимы значительно более высокие показатели коэффициентааккумулирования и конкурентоспособности.14Рисунок 11.Зависимостьколичествааккумулируемогоадсорбентом АУ-1метана от затратэнергии приразличныхдавлениях и видахзаправки притемпературеокружающейсреды 5 °С:1 – обычная изотермическая заправка при 278 К; 2 – заправка с охлаждениемдо 243 К; 3 – заправка с охлаждением до 213 К; 4 – трехступенчатая заправкапри 278 К; 5 – трехступенчатая заправка с охлаждением до 243 К; 6 –трехступенчатая заправка с охлаждением 213 К; пунктирные прямые – линии– давление заправки в МПа; – сжатый газ при 19,6 МПа.постоянного KA;ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ1.

Получены экспериментальные данные по 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).2. Разработаны термодинамические номограммы адсорбционных системаккумулирования метана, применимые для расчетов процессов в данныхсистемах.3. Проанализированы аккумулирующие характеристики по метануизотермических и адиабатных адсорбционных систем при прямой(бескомпрессионной) заправке по максимальному избытку заправляемого газа вбаллоне с адсорбентом по сравнению с баллоном без адсорбента.

Оптимальныедавления для всех исследованных адсорбентов лежат в интервале от 3 до 4 МПапри изотермической и от 2,6 до 3,2 МПа при адиабатной заправках.Высокоэффективной для всех адсорбентов признана область от 1,8 до 5,7 МПапри изотермической и от 1,5 до 4,5 МПа при адиабатной заправках.4. Проанализированы энергетические характеристики компрессионнозаправляемых охлаждаемых и неохлаждаемых систем аккумулирования метана.Показано, что целесообразно охлаждение на величину от 15 до 35 Котносительно температуры окружающей среды – при постоянном количествегаза давление заправки уменьшается приблизительно в 1,5 раза при 243 К, аэнергосбережение достигает 20 % (при давлении в источнике газа151,3 МПа). Также показано, что охлаждение на величину от 15 до 35 Кувеличивает на интервал от 20 до 35 % коэффициент аккумулирования,выбранный в качестве критерия оценки аккумулирующих и энергетическиххарактеристик адсорбционных систем.5.

Использование многоступенчатой компрессионной заправки дляадсорбционной системы аккумулирования метана более эффективно, чем длясжатого газа – экономия энергии при трехступенчатой заправке адсорбционнойсистемы аккумулирования составила 28 % (при давлении в сети 0,1 МПа) и64 % (при давлении в сети 1,3 МПа) при давлении заправки 5 МПа.

Каждаяпоследующая ступень заправки дает лишь от 40 до 60 % экономии предыдущейступени, поэтому наиболее целесообразна заправка не более чем в2 или 3 ступени (при ограничениях на продолжительность заправки).6. Совместное применение многоступенчатой заправки с охлаждениемпозволяет получать конкурентоспособные сжатому газу адсорбционныесистемы (с коэффициентом аккумулирования от 0,9) с обыкновеннымипромышленными адсорбентами при давлениях от 7 МПа.

За счет организациизаправки возможно одновременное уменьшение давления заправки и затратэнергии с увеличением количества заправляемого газа. Расчет на ближайшуюперспективу с использованием монолитного адсорбента АУ-1 (с плотностьюупаковки 750 кг/м3) показывает его преимущество по коэффициентуаккумулирования над сжатым газом (KA > 1) при оптимизированнойорганизации заправки.ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1. Адсорбция метана на микропористом углеродном адсорбенте АУ-1 /Е.М.

Стриженов [и др.]. // Физикохимия поверхности и защита материалов.2012. Т. 48, №6. С. 521ʹ526 (0,70 п.л. /0,45 п.л.).2. Адсорбция метана на микропористом углеродном адсорбенте АУ-5 /Е.М. Стриженов [и др.]. // Физикохимия поверхности и защита материалов.2013. Т.49, №5. С. 483–490(0,93 п.л. /0,40 п.л.).3. Аккумулирование метана на активированном угле АУ-7 / Е.М.Стриженов [и др.]. // Химическая технология.

2013. №12. С. 729–738 (1,16 п.л./0,58 п.л.).4. Низкотемпературная адсорбция метана на микропористом углеродномадсорбенте АУ-1 / Е.М. Стриженов [и др.]. // Физикохимия поверхности изащита материалов. 2014. Т.50, №1. С. 19-25 (0,81 п.л. /0,40 п.л.).5.

Адсорбция метана на микропористых углеродных адсорбентах вобласти сверхкритических температур / МеньщиковИ.Е.[идр.].//Физикохимия поверхности и защита материалов. 2015. Т. 51. № 4. С. 345-350(0,7 п.л. /0,2 п.л.).16.