在设计碳纤维制造厂时考虑的某些条件下，当前能够转化使用天然气使用的能量趋势可以带来性能和经济效益。虽然电力供应被认为是更加可靠的，并且在世界的几个地区，但它是一个更昂贵的能源。
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由于该行业正在努力开发碳纤维的成本较低，因此生产过程的所有方面都受到密切监测，并考虑天然气的使用可能证明在解决经济难题方面至关重要。本文突出了创新，以实现朝向混合气体/电动设计和燃气机组的创新，以及具有增强的热均匀性和控制的燃气单元，除了在热转换过程中用完的公用事业的降低，还具有增强的热均匀性和控制。将显示示例方案以揭示优势。
普遍植物概念解释
下一代碳纤维厂应从划痕设计为至少成本起作用。虽然大多数行业的利益到现在一直在最大限度地降低整体效用消费，但能源仍占生产碳纤维总成本的5％至10％[1]。为了实现可能的最低运营成本，碳纤维设备需要灵活地利用电力或天然气 - 在给定区域便宜。
复杂的问题甚至更加，波动的能量市场可能导致这种能量的选择最终改变。因此，理想的通用工厂将具有混合动力设计，其中给定线中的相同设备能够在电力或天然气上起作用。app亚博体育
氧化烤箱将是这种混合技术的焦点。在碳纤维线中的所有单元操作中，氧化系统以约4：1的比例占据大部分能量。这是由于高压加工气氛化妆率和长纤维停留时间，相对于碳化步骤，由聚丙烯腈（盘）氧化过程强制。氧化烤箱加热消耗碳纤维线消耗的能量约32％-40％[2,3]。这里的功率成本的任何降低将导致碳纤维线的整体运营成本的重大降低。
通用技术及其在实践中的工作原理
通常，在氧化中，有四到八个热区延伸超过两到四个大量设备。app亚博体育另一方面，一个碳化炉可以在单件设备内有四到十个区域。app亚博体育烤箱足够大而简单，易于容易地含有冗余加热装置，并且考虑到烤箱过程占据高温或低温碳化过程（Omnia，LLC，2012），支架获得的功率高10倍大多数来自混合加热技术。这些因素的组合导致杂交炉通过成本/益处分析，而碳化炉则不如此明显。
典型的氧化炉区包括再循环风扇，其在一组电加热元件上吹过空气，升高再循环空气的温度。在光纤处理室内保持食谱特定温度的温度控制器控制供应给那些加热元件的电力。在混合烘箱中，间接燃气烧制的热交换器与电气元件串联加入。
如图1所示，第一温度控制器（燃气发射热交换器）设定点将在第二温度控制器（电气元件）下方手动设置。以这种方式，第一加热器会增加固定量的能量，而第二加热器将完成将再循环空气的温度提高到必要的工艺温度的工作。如果不需要气体（电加热较低），则气体加热器将被设置为零，并且电气元件将执行所有操作。另一方面，如果不需要电（气体加热较便宜），则电加热器将设置为零，气体将执行所有操作。
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图1。混合加热过程。
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在优选加热源的特定组合的情况下（即，电效用公司要求在夏季峰值峰值峰值期间减少消费），可以在两个加热器中划分负荷。为了在启动时最短的持续时间内加热烤箱，两个加热器都可以设置为100％的输出，实现比单独的方式更快速的加热。
当前和未来的能源生产和消费趋势
概述
目前，能源产业预测与近年来预测大大不同。新的动态受市场供应超级度的影响，这部分通过需求的总体减少和新的供应发现是部分地带来的。这些力量大大改变了国际市场中能源的动态。公司可以利用这些地缘政治范式转变为战略福利长时间。
北美天然气的最新发展
自古以来，自然发生的气体已知。但是，它的商业用途是相对的。目前，天然气是全球能源供应的重要组成部分。目前，天然气供应商业和住宅客户使用的一半，大约41％的美国行业消耗的能源[5]。
在北美，近年来，公用事业市场经历了非凡的班次。最杰出的变化一直是路易斯安那州海恩斯维尔页岩的天然气沉积物的增加;Marcellus地区在美国东部的美国，包括纽约，宾夕法尼亚州，俄亥俄州，西弗吉尼亚州和弗吉尼亚州的一小部分;德克萨斯州南部的鹰福特页岩;在美国墨西哥湾沿岸。
根据IHS的能量，例如，在未来三年内，Marcellus Shale地区的目的期待着看到大约17个管道项目，旨在每天出于俄亥俄州，西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州的每天出货约173亿立方英尺的天然气。终端用户。
在北美和其他地方，最近的调查结果刺激了政策制定者和能源专家，以重点关注天然气作为主要司机，以实现广泛的目标：减少对外国石油的依赖，缓解能源价格尖刺的影响，加速过渡到可再生燃料，降低温室气体排放。
北美天然气崛起
能源信息管理局（EIA）表示，2014年，美国进口的天然气进口量达到了9％的下降，八年下降。自美国干旱天然气生产以来已达到历史新高，国内价格较低（如图2所示），有助于衡量天然气进口。2014年，净天然气进口（进口减去出口）等于1171亿立方英尺（BCF） - 自1987年以来的最低水平。
近98％的美国自然天然气进口由加拿大的管道进口，作为进口总数下降的主要原因。2014年，加拿大的净进口占美国天然气消费总量的7％，从2009年下降了11％。
美国天然气的出口在2014年也减少，但不如进口的减少，仍然高于前五年平均水平的9％。天然气出口到墨西哥，占美国天然气出口的近50％，2014年上涨了12％。
在北美，原油精制成柴油或汽油，几乎所有的美国卡车或汽车都燃烧。煤主要用于生产电力。然而，随着温室气体继续影响环境，绘制到低碳经济的过渡将以北美和其他地区的巨大速度延续。这种变化基本上将改变经济和公用事业基础设施，因为它目前已知。
随着市场仍然在很大程度上是巨大的，并利用巨大的供应水库欠发达，新政策实施和不均匀发展的未来将在未来定义市场。
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图2。工业部门定价在北美能源定价。[6]
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北美未来能源基础设施
EIA，在其年度能源前景2015年，[7]结论是，到2040年干天然气产量将是美国能源生产总量的最大贡献者，使其占34％的份额。
根据EIA的说法，干天然气占2013年美国能源产量总量的30％。煤炭总量总量的份额持续超过2040年的能源产量略高于20％。
2013年，煤炭占生产燃料成本的44％，天然气占42％。2040年，煤炭占55％，而天然气的55％。2013年，石油是最昂贵的一代燃料，占生产燃料成本的6％，从2019年至2040年，它占总数的3％。根据环境影响评估前景，核燃料通过整个投影期间占发电燃料成本的6％至8％。
天然气将在北美能源基础设施中发挥重要作用。图3描绘了与世界其他地区相比，天然气产量相当高，在美国的成本显着降低。该行业继续扩大其在华盛顿政策制定者对基础设施的投资，直流通过支持利润丰厚的投资环境标准继续扩张。这将继续为工业用户提供较低的天然气价格，大约在所有类别中低于电动。由于碳纤维氧化烤箱和低温炉技术的耐用电能，燃气技术将推动投资决策的未来。哈珀国际是燃气，电动和混合烤箱的先驱炉技术。
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图3。世界液化天然气估计2013年11月降落和枢纽价格$ US / MMBTU。[8]
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理论案例研究
混合氧化技术对营业费用的影响
在本节中，考虑了三条碳纤维线的理论分析和不同氧化能源对运营费用（OPEX）的影响。
1 - 3米 - 当前行业标准生产规模
线2 - 4米 - 即将到来的生产规模
3 - 5米 - 未来生产规模
以下是推动这些线路的两种不同方式：
场景1 - 电氧化
场景2 - 气体氧化
表格1。用于计算的主要假设。
| 线条大小 |
拖码 |
线速度 |
拖缆数 |
生产能力（吨/年） |
电力成本 |
天然气价格成本 |
| 3米 |
48 K. |
10米/分钟 |
130. |
2007年 |
7.04¢/ kWh |
1.87¢/ kWh |
| 4米 |
174. |
2686 |
| 5米 |
217. |
3349. |
这些工艺参数用作哈珀标准过程模型的输入，以预测通过在三条线中加热氧化系统所消耗的估计能量。反过来，这些能源消耗价值乘以从美国能源信息管理局的短期能源前景获得的天然气和电力的工业部门成本。[9]图4显示了结果。
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图4。计算的氧化年费，2014年。
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天然气的好处并不总是如此伟大。六年前成本如图5所示。
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图5。计算氧化年费，2008年。
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天然气和电热的成本在世界其他地区更接近。甚至有时，例如在电网上的需求较低时偏离高峰时，当其实于加热氧化烤箱，而不是用电而不是天然气。
气体燃烧低温碳化对运营支出的影响
为了显示问题的复杂性，考虑了选择气体或电气低温（LT）碳化炉的效果。增加过程温度会降低气体加热效率。[10]在建模气体能量和电力消耗时，假设相当典型的温度曲线和区域计数。如图6所示，在2014年的公用事业费用中加热LT炉的成本是所得到的成本。相同的计算结果，但使用2008实用成本如图7所示。
表2。LT区温度和天然气效率。
| 区 |
温度设定值
（°C） |
％可用热量
（假设50％过量空气） |
| 1 |
400 |
72. |
| 2 |
450. |
68. |
| 3. |
500. |
66. |
| 4. |
600 |
58. |
| 5. |
700 |
53. |
| 6. |
750. |
49. |
| 7. |
700 |
53. |
表3。产生能量消耗预测。
|
仪表 |
4米 |
5米 |
| LT - 电气（kW） |
297. |
387. |
476. |
| 或者 |
|
|
|
|
| LT - 天然气（M3./ hr） |
66. |
87. |
106. |
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图6。计算出年度成本低温碳化，2014年。
图像信用：哈珀
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图7。计算出低温碳化年成本，2008。
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2008年，加热低温碳化炉，电力比天然气便宜。今年是一个异常，当美国天然气的成本暂时被市场力量暂时膨胀。这种分析的目的是，即使在美国等地区，天然气的成本通常低于电力，选择并不总是清晰。这里的加热源偏好如下：
良好的电烤箱，气体LT
更好的 - 气体烤箱，气体烤箱
最佳 - 混合烤箱，气体烤箱
这种良好/更好/最佳的气体方案与电加热适用于天然气始终如一的成本能源。它可能因世界其他地区而异。因此，混合厂设计普遍最佳。
其他考虑因素
可靠性
在混合氧化系统中，冗余加热源将导致更高的可靠性。电加热元件和气体烧制的热交换器均适用于完全加热负载的全部加热载荷，以完全容纳电气或气体加热。因此，将实现通过冗余的简单可靠性。在加热源失败的情况下，另一个能够在可能更换故障单位时维持操作直到运动结束。
每日运营
电气公用事业公司通常以这种方式构建客户合同，即在夏季的峰值需求期间有昂贵的罚款，例如夏季的中期日期。为了避免这种情况，可以有效地缩放的植物经常在这些时间内降低它们的生产。例如，在夏季中期的时间，工业煤气厂通常会减少其低温空气分离单元的输出。
然而，这不是碳纤维线的选项，其中运动期间输出的减少，例如减慢线速度，会改变时间/温度配方，从而破坏产品纤维。在高峰时段期间将一些负载转移到二次加热方法（天然气）是减少广告系列电力消耗的唯一方法。
高温和超高温炉
高温（HT）和超高温（UHT） - 碳纤维线中的最后一个热处理步骤） - 这里没有讨论。这些过程在1200°C和2800°C之间运行。随着加工温度升高，天然气的效率降低。因此，天然气通常对氧化炉（250°C）以及LT炉（800°C）有意义，但对于HT和UHT炉是不可行的选择。这些过程中的优选技术是电加热。
参考
1.亚历山大·焦科，J.G。（2011）。碳纤维Perp 2011s9。白皮纽约：ChemSystems
2.沃伦，C. D.（2010年6月9日）。低成本碳纤维概述。奥克里奇，田纳西州，美国：橡木岭全国洛杉矶博士/美国能源部
3. Stry，B。（2013）。群众汽车的用途将如何影响碳纤维生产者必须考虑其投影碳足迹的方式。GOGARBONFIBER。西雅图。
4. Omnia，LLC。（2012）。碳纤维制造成本评估。投资冰岛。
5。天然气的简要历史。（2012）。从美国公共天然气协会中检索2014年6月29日
6.能源，U. D.（2015年6月9日）。短期能源前景。2015年6月25日检索，来自美国能源信息管理员istration：http://www.eia.gov/forecasts/steo/tables/?tableenumber=8#
7. Conti，J.J.，Paul，D. H.，James，R. D.，Sam，A. N.，Michael，S.，James，T.，等。（2015）。年度能源前景2015。华盛顿特区：美国能源信息管理。
8. Pascual，C.（2013）。全球能源前景。大西洋理事会能源和经济峰会（第18页）。伊斯坦布尔：大西洋理事会。
9. Energy，2015年
10. Reed，R. J.（1986）。北美燃烧手册。俄亥俄州克利夫兰：北美MFG。有限公司
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