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.