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。
四海植物概念的解释
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。2020欧洲杯下注官网
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
一般来说，氧化内，有四到八延续了两到四个设备的大叠的热区。2020欧洲杯下注官网在另一方面，碳化炉可以在单件设备内有四到十个区域。2020欧洲杯下注官网烤箱足够大而简单，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吹送空气在一组电加热元件，升降再循环的空气的温度。温度控制器维持配方特定温度下的纤维处理室内部控制供给到那些加热元件的功率。在炉中的混合，一种间接的，燃气热交换器与电元件系列加入。
如图1所示，第一个温度控制器（燃气热交换器）设定点将手动设置在第二个温度控制器（电气元件）的下方。通过这种方式，第一个加热器将添加固定量的能量，而第二个加热器将完成将再循环空气温度升高至必要工艺温度的工作。如果不需要气体（电加热更便宜），气体加热器将设置为零，电气元件将执行所有操作。另一方面，如果不需要电（燃气加热更便宜），电加热器将设置为零，燃气将执行所有操作。
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图1。混合加热过程。
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在箱子加热源的特定组合是优选的（即，电力公用事业公司询问在夏季峰值天消耗的减少）时，负载可以在两个加热器之间划分。升温在启动时可能的最短持续时间的烤箱，两个加热器可以被设置为100％的输出，比任一单独会实现更快速的加热。
当前和未来的能源生产和消费趋势
概述
目前，能源行业的预测与近年来的预测有很大不同。新的动态受到市场供应过剩的影响，而市场供应过剩的部分原因是需求总体减少和新的供应发现。这些力量极大地改变了国际市场的能源动态。公司可以在很长一段时间内利用这些地缘政治范式转变获得战略利益。
北美天然气的最新发展
自古以来，人们就知道天然气。然而，其商业用途相对较新。目前，天然气是全球能源供应的重要组成部分。目前，天然气供应的能源占商业和住宅用户使用能源的一半以上，约占美国工业消耗能源的41%[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。
据IHS能源，例如，在未来三年，马塞勒斯页岩地区就期待看到约17管道项目旨在出货17.3十亿立方英尺的天然气每一天俄亥俄州，西弗吉尼亚州和宾夕法尼亚州的到终端用户。
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。
几乎98%的美国天然气进口是通过管道从加拿大进口的，这是进口总量下降的主要原因。2014年，来自加拿大的净进口占美国天然气消费总量的7%，低于2009年的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。能源价格在北美地区由工业部门定价。[6]
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北美未来能源基础设施
EIA在其2015年年度能源展望中，[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，煤炭占发电燃料总成本的44%，天然气占42%。2040年，煤炭仅占35%，而天然气占55%。2013年，作为最昂贵的发电燃料，石油占发电燃料总成本的6%，而从2019年到2040年，石油仅占总成本的3%。根据EIA展望，在整个预测期内，核燃料占发电燃料成本的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显示，与世界其他地区相比，美国的天然气产量要高得多，成本要低得多。随着华盛顿特区的决策者通过支持有利可图的投资环境标准，该行业继续扩大对基础设施的投资。这将延续工业用户天然气价格较低的趋势，在所有类别中，天然气价格均大大低于电力价格。由于碳纤维氧化炉和低温炉技术的大量能源使用，燃气技术将推动未来的投资决策。哈珀国际公司是燃气、电力和混合烤箱和加热炉的先驱炉技术。
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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
以下是为这些线路供电的两种不同方式：
方案1 - 电氧化
方案2 - 气体氧化
表格1。用于计算的主要假设。
| 线条大小 |
牵引类型 |
线速度 |
拖缆数 |
生产能力（吨/年） |
电力成本 |
天然气成本 |
| 3米 |
48 K. |
10米/分钟 |
130 |
2007年 |
7.04¢/ kWh |
1.87¢/千瓦时 |
| 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。氧化，2008年计算成本。
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天然气和电加热的成本是在世界的其他地方更接近。甚至有次，如非高峰时段时，对电网的需求低，当它实际上更便宜的热与电氧化炉比用天然气。
气体燃烧低温碳化对运营支出的影响
为了说明问题的复杂性，考虑了选择气体或电气低温（LT）碳化炉的影响。提高工艺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
（°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。导致能源消费预测。
|
仪表 |
4米 |
5米 |
| LT - 电功率（kW） |
297. |
387. |
476 |
| 或者 |
|
|
|
|
| LT - 天然气（M3./ hr） |
66. |
87. |
106. |
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图6。低温干馏，2014年计算成本。
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，电加热低温碳化炉本来比天然气便宜。今年是一个异常，当天然气在美国的成本由市场力量暂时膨胀。这种分析的目的是，即使在地区，如美国，天然气的成本通常比电力下层是，选择并不总是很清楚。这里的加热源的偏好将是如下：
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
这好/更好/燃气与电加热的最佳方案适用于这里的天然气一直是成本较低的能量源区。它可以在世界其他地方有所不同。因此，杂交植物设计是普遍最佳的。
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。的电加热元件和燃气热交换器将既定尺寸为用于容纳电动或气体加热完全满热负荷。因此，通过简单的冗余可靠性将得以实现。的情况下的加热源发生故障，其他将能够维持动作，直到活动结束时的故障单元可以被替换。
日常操作
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，这是不适合的碳纤维线其中输出降低的活动期间，例如减慢线速度，将改变的时间/温度的配方和由此破坏了产品的纤维的一个选项。在繁忙时间转向一些负载到辅助加热方法（天然气）的是减少运动期间的电力消耗的唯一途径。
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。GoCarbonFiber。西雅图。
4. Omnia，LLC。（2012）。碳纤维制造成本评估。在冰岛投资。
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日检索自美国能源信息管理局：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能源，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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