1.2 Практическое использование газов
Значение газов в народном хозяйстве трудно переоценить. Сегодня уже трудно представить жизнь человека без использования различных газов, даже на бытовом уровне. Большинство населения использует природный газ для приготовления пищи, нагрева воды, отопления помещений и т.п. Газы используются в медицине в лечебных и профилактических целях: кислород (кислородные подушки, коктейли и др.), углекислый газ (лечебные ванны), сжиженный азот – для криохирургии и т.п. Но особо впечатляют масштабы применения газов в промышленности, где их применение разнообразно:
- в качестве энергетического топлива (природный газ, попутный нефтяной газ, газ, получаемый при газификации твердых топлив, коксовый газ, газ, получаемый при сжигании бытовых отходов);
- в качестве сырьевого компонента для получения химических продуктов (пластмасс, удобрений, синтетических волокон, химических веществ и газов);
- в качестве энергоносителей (сжатый воздух, перегретый пар, иногда инертные газы);
- в качестве рабочих тел энергетических машин (ПГ, ГТ, ПГТ, реактивные двигатели) и для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, снаряды);
- теплоносители (например, фреоны в холодильных установках, диссоциирующие газы в теплоэнергетических установках);
- физические среды для газовых разрядов (лазеры);
- в качестве расходных материалов для выполнения технологических процессов (кислород-ацетилен для газорезки металлов, нейтральные газы для сварки – аргонодуговая сварка, кислородное дутье в плавильных печах).
Газы и газовые смеси применяются для систем жизнеобеспечения подводных и космических аппаратов.
В сельскохозяйственном производстве все большее распространение получает применение азота в овоще- и фруктохранилищах, использование биогазов, выделяющихся при переработке навозных масс.
В различных отраслях техники используется более 30 различных газов и газовых смесей.
Газ как топливо – обычно природные газы и получаемые искусственно специально (генераторный газ) или как побочный продукт (коксовый, доменный и др.). Основные потребители: черная металлургия (домны, мартены), производство стройматериалов (цемент, стекло, керамика, керамзит), в машиностроении (нагреватели, термические печи, газосварка и резка). В качестве топлива для ТЭС – удельный вес природного газа составляет около 30%. Перевод котлов на газ повышает их к.п.д. на 20%, удешевляет обслуживание и автоматизацию, снижает расход электроэнергии на собственные нужды на 7-20%. Топливо в быту (плитки, АГВ, котлы, конвекторы).
Газ как исходное сырье – в химической промышленности вырабатываются из газов около 200 видов продукции, в том числе огромное количество пластмасс, удобрений и т.п.
Газ в качестве энергоносителя – сжатый воздух КС (стационарные и передвижные, переносные), пар водяной – для паровых молотов, прессов и др.
Рабочие тела для совершения работы – это газовые смеси – продукты сгорания топлив в воздухе или других окислителях в ГТ, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Водяной пар – в ПТ. Комбинированные установки ПГТУ – совместное использование водяного пара и газа.
Теплоносители – очень часто в различных технологических процессах химической, металлургической промышленности используется горячий воздух для нагрева продуктов, в сушилках, в отоплении и кондиционировании. Используются также горячие продукты горения (дымовые газы) для обогрева изделий и материалов в печах и сушилках, для подогрева промежуточных теплоносителей (пар, воздух, вода). Для обогрева помещений используют паровое отопления.
Электрический разряд в газовых средах применяется широко в электротехнике для выпрямления переменного тока, в газосветных осветителях (лампах) и неоновых рекламах. Отдельный класс устройств – газовые лазеры (медицинские, технологические и военные).
Материалы для промышленности – газовая сварка (ацетилен-кислород), химико-термическая (азотирование, хромирование сталей) и тепловая обработка в печах (цементация – насыщение углеродом). Инертные газы – для безопасности производства и испытаний машин и аппаратов, специальная сварка – аргон.
В сельском хозяйстве – добавки СО в теплицы, этилена, азота – в хранилища овощей. Установки энергетические, биогазовые.
К сожалению, производственная деятельность человечества, особенно в последнее столетие, обуславливается не только производством и потреблением различных газов, но и
выбросами недоиспользованных газов, которые как-то предотвратить не представляется возможным вследствие сложности и дороговизны технологических процессов. А они, эти выбросы, представляют большую угрозу для человечества ввиду не только локальных, но и глобальных негативных процессов и изменений в среде обитания и в атмосфере. Главным и грозным проявлением этого есть так называемый парниковый эффект атмосферы.
Микромодель этого явления – обычный парник, защищенный прозрачным стеклом или пленкой участок грунта для выращивания рассады различных культур. Происходит солнечный обогрев грунта, тепло удерживается стеклом или пленкой. Возможен также искусственный обогрев – биотопливом, водяной, электрический.
Парниковый эффект атмосферы – это свойство атмосферы Земли регулировать лучевой тепловой обмен Земли с космосом. Атмосфера Земли пропускает коротковолновую солнечную радиацию, которую поглощает поверхность Земли (рис 1.1). Поверхность нагревается и в свою очередь излучает длинное волновое излучение, которое в значительной мере поглощается атмосферой (водяной пар + СО2 ), а 10-20% - излучается в космос. Благодаря такому механизму средняя температура земной поверхности остаётся постоянной(+15оС) . Если бы не было атмосферы, она была бы равна -23оС.
В результате техногенной деятельности человечества концентрация парниковых газов, особенно СО2, в атмосфере увеличилась, что приводит к дополнительному подогреву атмосферы Земли. Сегодня эта величина (2-3оС) уже составляет значительную угрозу для экосистемы Земли. Главным образом это проявляется в таянии ледников, наступлении пустынь, изменении привычных условий обитания живых организмов.
Основные парниковые газы в порядке их воздействия на тепловой баланс Земли располагаются следующим образом:
водяной пар;
углекислый газ;
метан;
озон;
галоуглероды;
оксиды азота.
Наиболее вредное воздействие на атмосферу оказывают углекислый газ и метан.
Источники поступления СО2 в атмосферу:
– производство энергии (тепла, горячей воды, пара) – 43,6%;
– производственные предприятия – 18,5%;
– автотранспорт – 7,7%;
– другой транспорт – 6,3%;
– жизнеобеспечение – 8%;
– коммерческие услуги – 5,8%.
Источники поступления метана:
- утечки при разработке и эксплуатации месторождений природного газа, нефти и угля- 16%;
- биогаз от захоронения отходов – 12%;
- скот – 16%;
- рисовые поля – 22%;
- болота – 23% и др.
Количественной характеристикой выбросов парниковых газов является удельный выброс газов:
выброс в СО2-эквиваленте, кг .
на 1 дол. ВВП
Данные по выбросам некоторых стран в 1 кг экв. СО2/долл:
Япония – 0,39;
ЕС – 0,42;
США – 0,67;
Россия – 1,58;
Украина – 2,04.
Как видно, удельные выбросы парниковых газов в Украине в 3-5 раз выше передовых стран. Это обусловлено тем, что в Украине (также как и в других постсоветских странах) в течение нескольких десятилетий не проводилось масштабное техническое перевооружение производств, не внедрялись новейшие технологии, альтернативные источники энергии и т.п.
Мировое сообщество, озабоченное стремительным нарастанием парникового эффекта, предложило ограничить вредные выбросы газов на основании Киотского протокола.
Механизм действия Киотского протокола состоит в том, что каждой стране-подписанту устанавливается квота на вредные выбросы. За превышение квоты – штраф, за уменьшение выбросов - материальные льготы. Например, страны (или промышленные компании), не использующие в полной мере установленную квоту, могут продавать “избыток” другим странам, где квота превышена, используя полученные средства на модернизацию производств.
Гибкая процедура квотирования предусматривает постепенное снижение вредных выбросов до безопасного уровня.