Способы получения газообразного топлива

Природный газ: свойства, способы добычи и производства

Природный газ представляет собой газообразную смесь углеводородов естественного происхождения, находящую широкое применение в качестве горючего.

Способы добычи

Так как природный газ (очень часто его также называют голубым топливом) залегает на достаточно большой глубине под землёй: 1-6 км, то для его добычи требуется выполнение целого ряда инженерно-технических мероприятий.

Под естественным давлением

В земных недрах, газ располагается в пустотах, соединённых между собой трещинам. Причём находится он там под очень высоким давлением, значительно превышающим давление атмосферы на поверхности земли.

В результате бурения скважины (для выравнивания давления и увеличения потока, обычно бурят несколько равномерно расположенных скважин на территории месторождения), выкладываемой затем обсадными трубами, залитыми снаружи цементом, возникает естественная тяга. Тем самым ценнейшее природное топливо выходит наружу, где подвергается очистке и дальнейшей поставке потребителям.

Из угледобывающих шахт

С развитием прогресса, специалисты ищут возможности не только нейтрализовать некоторые опасные вредные производственные факторы, но и употреблять их для практической пользы.

Одним из таких достижений стала утилизация метана, выделяющегося в угольных шахтах. С углублением выработки, количество этого газа резко возрастает, создавая опасность взрывов и удушения персонала. Длительное время метан просто удаляли, вместо того чтобы использовать.

Однако столь ценное топливо гораздо лучше утилизировать и применять по прямому назначению, что и было осуществлено двумя следующими способами:

• Активной откачкой вакуумными насосами с дальнейшим накоплением в ёмкостях.
• Пассивным методом с помощью изоляции мест газовых выделений. Из них потом метан или выводят наружу, или доводят до безопасной концентрации путём разбавления.

Метод добычи метана из угольных шахт нашёл широкое применение в США.

Гидроразрыв

Способ, с помощью которого добытчики голубого топлива пытаются в значительной степени увеличить производительность скважин. Путём открытия доступа к неосвоенным или недостаточно освоенным участкам залежей в месте уже организованной добычи. Внутрь существующей скважины под высоким давлением поступает вода, песок, химикалии. Это приводит к гидравлическому разрыву пласта, сопровождающемуся бурным выходом природного газа.

Несмотря на свою высокую эффективность, данный метод вызывает сейсмическую активность, сильнейшее загрязнение почвенных вод, выход из-под земли вредных газов, повышение радиоактивности. Неудивительно, поэтому его запрещение на территории ряда государств мира.

Под водой

Огромные запасы голубого топлива расположены в прибрежных зонах морей и океанов. Хотя данный метод и требует строительства очень дорогих гравитационных платформ с развитой инфраструктурой, тем не менее, способ находит всё более широкое распространение.

Более того, осваивается добыча газа вообще без строительства надводных сооружений: напрямую от подводных установок к береговому комплексу. Примером может служить Киринское месторождение на шельфе острова Сахалин, запущенное несколько лет назад в эксплуатацию. Столь удачная уникальная разработка даёт возможность освоения подводных месторождений находящихся под толщей льда.

Если же залежи природного газа располагаются вблизи берегов, то уместным становится наклонное бурение, начатое на суше.

Газ, получаемый промышленными методами

Помимо естественных способов получения газообразного топлива, существуют и искусственные. В основе газов, получаемых промышленными методами, лежат природные углеводороды. Не удивительно, что свои названия они получили от исходных материалов, представляющих собой жидкое или твёрдое топливо:

• Нефтяные газы – продукты перегонки нефти или результат стабилизации газового бензина (газолина). В процессе нефтедобычи также выделяется значительное количество попутного газа. Хотя по своему химическому составу те и другие мало чем отличаются друг от друга (пропан, бутан, изобутан), природа их возникновения несколько различна.
• Коксовый газ – побочный продукт получения кокса путём высокотемпературной дегазации. При более низких температурах аналогичного процесса вырабатывается городской газ.
• Сланцевый газ также получается высокотемпературным воздействием на сланец без доступа воздуха.
• Генераторный газ получил своё название от газогенераторов, перерабатывающих древесину, каменный уголь или торф в газы под воздействием пара или воздуха при температуре в 1000 0 C.

Процессы переработки

Вспомогательные

Сепарация

Первоначальное нахождение природного газа в естественной природной среде приводит к загрязнению его разнообразными жидкостями и твёрдыми механическими образованиями. Понятно, что в таком виде он не пригоден для транспортировки и дальнейшего использования.

Для очистки голубого топлива используется сепарация, то есть разделение исходной массы на газообразную, жидкую и твёрдую составляющие с последующим удалением жидкости и твёрдых частиц. В основе физики этого процесса лежит силовое воздействие гравитации или инерции на движущиеся среды, обладающие различным удельным весом.

Абсорбционная сушка

Суть абсорбционной осушки природного газа заключается в использовании некоторых жидкостей (сорбентов) для поглощения находящейся в нём влаги. В качестве таких поглотителей используют гликоли (в России наибольшее распространение получил диэтиленгликоль – ДЭГ). Как правило, гликоли не токсичны, стабильны в своём использовании, не отказывают какого-либо вредного воздействия на само очищаемое вещество и обладают возможностью достаточного простой технологической схемы восстановления.

Внутри сосуда-абсорбера происходит противоток газа (движется вверх) и абсорбента (стекает вниз), в результате которого голубое топливо осушается, а впитавший в себя влагу абсорбент выходит из цилиндра и отправляется на регенерацию.

Основные

Выделения кислых компонентов

Находящийся в естественном состоянии природный газ подвержен всякого рода загрязнениям. В их числе: углекислый газ, сероводород, угарный газ, сернистый газ. Эти примеси провоцируют коррозию, а также снижают энергетические качества углеводородного топлива.

Для выделения кислых компонентов применяют сухие и мокрые способы. В первом способе используются:

• активированный уголь,
• гидрат окиси железа,
• марганцевые руды.

Во втором случае применяются:

Принцип очистки основывается на различной степени растворимости веществ в составе природного газа.

Разделение углеводородных газов на фракции

Разделение газов производится с целью получения целого набора компонентов: редких газов, лёгких углеводородов, топливных газов, сырья для изготовления продукции химической отрасли. Осуществляют данный процесс в местах добычи или на промышленных предприятиях. В основу технологии разделения положены следующие физико-химические процессы:

• Абсорбция.
• Адсорбция.
• Хемосорбция.
• Компрессия.
• Конденсация.
• Низкотемпературная ректификация.
• Комбинированные методы.

Современные газофракционирующие установки позволяют полностью автоматизировать процессы разделения с целью получения точного сырья должной степени концентрации.

Хранение и транспортировка

Хранение природного газа производится:

• В мокрых газгольдерах или газгольдерах высокого давления.Первые имеют стабильное давление при переменном объёме хранения. Вторые – наоборот. Так как, и те и другие требуют значительных капитальных затрат и не обеспечивают сезонные колебания уровня потребления, то в настоящее время строительство новых газгольдеров приостановлено.
• На концевых участках магистральных газопроводов, выступающих в качестве своеобразных временных накопителей в ночное время суток.
• В надземных и подземных хранилищах. Достаточно часто в качестве их используют пустые полости бывших месторождений, а также искусственно сооружённые пустоты на месте водоносных пластов.
• Кроме того, газ хранят в изотермических резервуарах и ёмкостях шарообразной или цилиндрической формы, которые изготавливают из материалов, обладающих малой степенью температурного расширения.

Транспортировку газа осуществляют в основном газопроводами, а также автотранспортом в цистернах или баллонах. В случае наличия удобных водных путей – пользуются танкерами.

Сфера применения

В основе всемирного глобального использования природного газа лежат две уникальные особенности этого набора углеводородов: выделение значительного количества тепла при сгорании – голубое топливо, возможность транспортировки на значительные расстояния гигантских объёмов при незначительных текущих затратах. Он также применяется в качестве сырья для получения целого набора веществ, употребляемых в химической отрасли.

Месторождения в России и мире

Пятёрку «супергигантских» мировых месторождений возглавляют:

• Южный парс/Северное, расположенное на территории Ирана и Катара – 28 трлн. м 3 .
• Галканыш (ЮжныйИолотань) – Туркмения. Запасы: 21,4 трлн. м 3 .
• Уренгойское – Россия. 10,2 трлн. м 3 .
• Хейнсвиль – США. 7 трлн. м 3 .
• Ямбургское – Россия. 5,2 трлн. м 3 .

Также крупнейшие месторождения (до 5 трлн. м 3 ) имеются на территориях Алжира, Нидерландов, Казахстана и Азербайджана.

Мировые запасы

Общий объём голубого топлива в мире на 2020 год оценивается в 196,8 трлн. м 3 . Значительная часть его расположена в странах Ближнего и Среднего Востока, на территории СНГ, а также в Африке. Не удивительно поэтому, что доказанные запасы России составляют по одним источникам 47,8 трлн. м 3 , по другим – 38,0 трлн. м 3 . Учитывая сложность оценки и большую погрешность, это нормально, и лишь доказывает, что наша страна располагает пятой частью мировых запасов голубого топлива.

Страны, добывающие газ

Крупнейшими странами по добыче природного газа на начало 2020 года являлись:

• США – 920,9 млрд. м 3 .
• Россия – 679 млрд. м 3 .
• Иран – 244,2 млрд. м 3 .
• Катар – 178,1 млрд. м 3 .
• Китай – 177,6 млрд. м 3 .

Выход в последние годы на первое место Соединённых Штатов можно объяснить политической конъюнктурой современности и сланцевой революцией. Однако сколь долго продлится такое соотношение объёмов газодобычи, покажет самое ближайшее будущее.

Источник

Газообразное топливо: описание, характеристики, способы производства, применение

Газообразное топливо известно еще с середины 19 века. Именно тогда известный инженер Ленуар построил свой первый газовый двигатель внутреннего сгорания. Этот аппарат был примитивным и работал без предварительного сжатия камеры сгорания. Современные двигатели не входят с ним ни в какое сравнение. Сегодня применение газообразного топлива не ограничивается лишь автомобилями. Этот экологичный, дешевый и доступный вид топлива активно завоевывает все новые и новые ниши и активно используется во всех отраслях народного хозяйства. В данной статье дается описание, характеристики топлива. В общих чертах рассказывается о способах их производства и применении.

Общие сведения

Под газообразным топливом понимается вещество, которое легко воспламеняется. Это его качество и полезное свойство применяется в различных отраслях науки и техники. Например, все чаще и активнее население и промышленность используют котлы на газообразном топливе. В этом топливе в различных количествах могут присутствовать оксиды (диоксиды) углерода, пары углекислого газа, а также такие элементы, как азот, водород кислород и другие примеси. Современные аппараты, работающие на газообразном топливе, весьма чувствительны к химическому составу рабочего газа. Если он не будет соответствовать нормам, рекомендованным производителем, то техника, скорее всего, выйдет из строя и потребуется дорогостоящий ремонт.

Все вещества, входящие в состав газов, можно разделить на горючие и негорючие. Первыми, помимо метана, являются этан, пропан и бутан. Взрывоопасными и, соответственно, горючими являются оксид углерода и водород. Водород является особо опасным. Именно по этой причине его не рекомендуют хранить в газовых баллонах. Лучшее решение заключается в приобретении водородного генератора. Это устройство выделяет водород из дистиллированной воды по мере необходимости. Таким образом, угроза детонации большого объема газа устраняется.

Государство является монополистом в сфере оптовой торговли жидким и газообразным топливом. Это свидетельствует о стратегически важном значении данного вида сырья.

Классификация топлива по происхождению

Как и жидкое, газообразное топливо может добываться в качестве полезного ископаемого, а может производиться в искусственных условиях. В первом случае такое топливо называется естественным, а во втором – искусственным.

Специалисты зафиксировали различия в составе жидкого и газообразного топлива, добытых из разных регионов. Из-за различий в химическом составе возникают и незначительные отличия в количестве выделяемого тепла при сгорании. Природное газообразное топливо практически полностью (на 95-99 %, в зависимости от месторождения) состоит из так называемого метана (химическая формула – СН₄). Такое топливо называется природным газом. И это самый дешевый на сегодня источник энергии. Именно по этой причине этот вид энергоресурсов активно используется во всех отраслях народного хозяйства. Однако все преимущества затмеваются низким уровнем безопасности аппаратов, работающих на газообразном топливе. В СМИ регулярно появляются тревожные новости об авариях и человеческих жертвах в результате нарушения правил эксплуатации газовых установок.

К искусственным видам газообразного топлива относят вещества, получаемые в результате переработки твердого или жидкого топлива. Наиболее распространенными и популярными его видами являются коксовый крекинговый газы. В эту группу можно также включить светильный, водяной и смешанный виды топлива. В зависимости от химического состава конкретного газа, уровень выделения теплоты при сгорании варьируется в широком диапазоне. Такие вещества являются особо взрывоопасными. По этой причине их рекомендуется смешивать перед сжиганием с природным газом. Эта мера на порядок повышает безопасность эксплуатации аппаратов, работающих на газообразном топливе. Эти манипуляции проводятся на специально оборудованных базах. Затем такой газ поставляется конечному пользователю в баллонах или иным способом. Но несмотря на то, что такая смесь является менее опасной, с ней все же необходимо обращаться крайне осторожно, с соблюдением всех норм и правил работы с сосудами под давлением и техники безопасности. И это не единственная опасность. Данное вещество является токсичным, и его вдыхание может вызвать серьезные последствия и даже привести к летальному исходу.

Классификация топлива по назначению

Топливо в газообразном виде используется как в тепловых установках, так и в двигателях внутреннего сгорания. Соответственно по этому признаку оно может быть поделенным на моторное топливо и топливо котельно-печное.

В качестве котельно-печного топлива традиционно используется природный газ. В редких случаях применяют искусственное топливо. Этот же вид топлива, лишь с некоторыми добавками, применяется и для заправки автомобилей.

Описание природного га­за

Трудно переоценить значимость этого полезного ископаемого для экономики нашего государства и экономического развития мира в целом. Многие автомобили, котлы на газообразном топливе, электростанции и теплоэлектроцентрали используют именно его. Исходя из прогнозируемых цен на голубое топливо (так иногда называют природный газ) верстаются бюджеты государств.

Более чем на 90 % этот газ состоит из молекул метана (СН₄). Помимо метана в природном газе содержатся и бутан с пропаном, азот, углекислый газ, водяные пары и другие примеси (они считаются вредными). В незначительных количествах природный газ содержит также инертные газы (гелий и другие). Считается, что последние оказывают благоприятное воздействия на машины, приборы и механизмы, работающие на газе, а также улучшают физику процессов горения топлива. О пригодности топлива к использованию, о его качестве судят по процентному содержанию углеводородных компонентов.

Природный газ является не только ценным видом топлива, но и сырьем для целого ряда отраслей промышленности. Так, из метана, который в нем содержится, крупные химические комбинаты вырабатывают водород. Для протекания такой реакции нужно его окислить. Помимо водорода из него вырабатывают ацетилен. На основе этих веществ производят всевозможные альдегиды, метиловый спирт (очень токсичное и опасное вещество), аммиак, ацетон, уксусную кислоту и так далее. Однако факт остается фактом – основной сферой применения природного газа является сжигание газообразного топлива с целью в различных приводных механизмах (двигатели машин) и котельных устройствах.

Основные свойства газов

Все газы (не только топливо) объединяет сравнительно незначительный показатель плотности. Для рассматриваемых природного газа и его искусственных аналогов его значение держится в районе 0,8 килограмма на метр кубический. Плотность сжиженного газообразного топлива несколько выше и составляет примерно 2,3 килограмма на метр кубический.

Газы в большинстве своем являются токсичными веществами. Токсичность возрастает по мере увеличения содержания оксидов углерода и соединений серы с водородом в газе. При содержании одного и более процентов описанных вредных газов в атмосфере человек за три минуты вдохнет летальную дозу отравляющего вещества.

Рассматриваемые газы являются взрывоопасными. Причем с повышением процентного содержания окиси углерода и водорода опасность детонации возрастает. Интересная особенность: при содержании этих веществ более чем 74% вероятность детонации газа практически равна нулю.

Основные характеристики топлива

При сравнительном анализе того или иного вида топлива специалисты оперируют следующими понятиями: влага топлива, содержание серы, зола (остаток), выделяемая теплота сгорания и жаропроизводительность.

Под жаропроизводительностью понимается температура, достаточная для процесса горения при минимальном содержании кислорода. При этом не осуществляется дополнительный подогрев ни воздуха, ни горючей смеси.

Твердый остаток поле сгорания топлива называется золой. Она уже не может гореть. Шлак – это та же зола, только после оплавления. Образование этого вещества негативно сказывается на работе всей системы, забивает топливную аппаратуру. Поэтому данный показатель важно учитывать при проектных работах.

Важным показателем является влага. Она негативно влияет на характеристики топлива. Ее присутствие вызывает увеличение объемов выхлопов, уменьшению коэффициента полезного действия установки.

Продукты сгорания серы и ее соединений вызывают и активизируют коррозионные процессы на поверхностях стальных частей двигателей и выхлопных систем. Кроме того, они оказывают негативное воздействие на окружающую среду и здоровье человек. Поэтому этот показатель также очень важно учитывать.

Теплота сгорания – очень важная характеристика. Она учитывается при расчете и проектировании оборудования и позволяет определить расход топлива. Данная величина определяется экспериментально. Для этих целей используется специальный калориметр. Сжигается заведомо известное количество (масса) топлива и фиксируется изменение температуры воды калориметра. Далее достаточно подставить в формулу полученные сведения и подсчитать теплоту сгорания.

Попутный газ

Если природный газ добывается из буровых скважин, то попутный является побочным продуктом нефтедобычи. Содержание метана в таком газе несколько меньше, чем в традиционном природном. Однако при сгорании газообразного топлива выделяется сопоставимое тепло.

Побочный газ (попутный) вырабатывается также металлургическими комбинатами. На этих предприятиях горючее выделяется в печах. Это так называемые коксовый и доменный газы. Как правило, эти газы сжигаются на месте (подаются в печь или в котельную станцию). Аналогичный побочный продукт вырабатывается в глубоких шахтах, что часто приводит к катастрофам.

Получение газа методом сухой перегонки

Искусственный газ получается путем дополнительной обработки твердого (жидкого) топлива. Таким образом можно получить так называемый генераторный газ и газ сухой перегонки.

При сухой перегонке топливо разлагается под воздействием высоких температур. При этом необходимо исключить доступ окислителя (воздуха). После ряда этапов, исходное топливо разлагается на собственно газ, соединения смолы и кокс. Точный состав образованных продуктов зависит от исходного состава топлива и условиях протекания процесса (прежде всего от температуры).

Процесс перегонки, который протекает при высоких температурах (в районе 1000 – 1100 градусов Цельсия), называется коксованием. Продуктами распада в таком случае являются собственно газ (коксовый) и кокс. Плотность и теплота сгорания полученного газа сравнительно невелики (0,5 килограмм на метр в кубе и 16000 килоджоулей на метр кубический соответственно). Одна тонна каменного угля при такой обработке преобразуется в 350 кубических метров газа. Этот показатель может разниться и зависит от условий проведения процесса и от химического состава и происхождения исходного сырья (угля).

Существует и низкотемпературная сухая перегонка. Она заключается в обработке твердого топлива температурами в районе 500 градусов по Цельсию. Газа при таком методе образуется минимальное количество (не более 30 метров кубических с одной тонны сырья). Основной продукт в данном случае – смола, которая в дальнейшем используется в производстве моторных масел и топлив.

Получение газа путем газификации твердого топлива

Один из распространенных методов получения газообразного топлива – так называемая газификация. Она заключается в химико-термической обработки твердого топлива (совместном воздействии высоких температур и химической обработке). Атомы углерода, содержащегося в твердом топливе, взаимодействуют и вступают в реакцию с водой и паром, образуя газ (топливо). В процессе газификации протекает и сухая перегонка. Газогенератор – это прибор для газификации твердых видов топлива (прежде всего – угля). Это устройство вырабатывает следующие вещества: метан, водород и угарный газ. Помимо озвученных газов вырабатываются и негорючие вещества (двуокись углерода, кислород с азотом и водяной пар).

Конструкций газогенераторов – огромное множество. Схема и перечень узлов зависит в первую очередь, от вида исходного сырья. В общем случае он представляет собой цилиндр с металлическими стенками. В нем имеются отверстия для вентиляции (поступления воздуха) и для выхода вырабатываемого газа. Подача воздуха осуществляется принудительно, с использованием мощных вентиляторов. Конструкцией должен быть предусмотрен люк для оператора. Топливо загружается через крышу. Таким образом, внешне этот агрегат до боли напоминает всем известную «буржуйку». Однако есть одно отличие – отсутствие дымохода.

Газогенератор – лишь основа всей установки, ядро, так сказать. Если посмотреть на схемы подобного оборудования, то станет понятно, что все остальные узлы и устройства предназначены для приведения газа в нормальное состояние (очистка, охлаждение и так далее).

Преимущества применения и использования газа

Состав газообразного топлива позволяет эффективно использовать его как альтернативу традиционным бензину, мазуту и дизелю. Запасы нефти истощаются. По подсчетам специалистов, ее хватит не несколько десятилетий. Запасов газа гораздо больше. Таким образом, активное внедрение и использование газовой аппаратуры во всех отраслях народного хозяйства позволит если не решить, то по крайней мере, отсрочить острую проблему дефицита углеводородного сырья.

Вторым, и весьма важным преимуществом является относительная чистота продуктов сгорания газа по сравнению с выхлопами бензиновых агрегатов. Иными словами машины и механизмы, работающие на газообразном топливе, более экологичные и не так сильно загрязняют окружающую среду. В мегаполисах и крупных городах эта проблема стоит особенно остро. Поэтому власти стремятся перевести весь парк городского общественного транспорта на новые экологические стандарты.

Третье преимущество – возможность подстраивать работу двигателя под личные потребности и предпочтения, регулируя состав смеси. В перспективе это позволит не переплачивать лишние деньги.

Четвертое преимущество заключается в увеличении полезного срока эксплуатации двигателя и увеличении времени между полной заменой моторного масла. Ведь газ, в отличие от нефтепродуктов, не удаляет смазку (масло) с поверхностей трущихся деталей механизма (двигателя).

Пятое — газовая смесь имеет гораздо большую детонационную способность, по сравнению с традиционным топливом. Это позволяет значительно повысить мощность двигателя транспортного средства.

Шестое — в отличие от твердого и жидкого, газообразное топливо не нужно разогревать перед впрыском. Это положительно сказывается как на надежности всей системы, так и на всех без исключения показателях работы.

Седьмое преимущество: с применением газа впрыск в цилиндры становится более равномерным. Таким образом, повышается плавность хода и работы движущих механизмов, уменьшается износ высоконагруженных частей.

К сожалению, далеко не всегда все описанные преимущества достигаются. Чаще всего владельцы транспортных средств переводят на газовое топливо бензиновые двигатели с целью экономии средств на разнице в стоимости топлива. Однако двигатель проектировался под бензин или дизель. Отсюда и не очень слаженная работа всех частей. Инженеры просчитали, что при переводе автомобиля с бензина на газ двигатель теряет около 20 процентов своей мощности. Чтобы компенсировать потери, многие владельцы увеличивают степень сжатия пространства камеры сжигания. Это значительно сокращает срок службы двигателя. Другая мера – установка системы турбонаддува. Но в это мероприятие придется вложить значительные денежные средства. Работа двигателя или котельной на жидком и газообразном топливе демонстрирует совершенно разные показатели эффективности. Причем преимущество далеко не на стороне твердых видов топлива.

Источник