Природный газ - это полезное ископаемое. Газ, так же как нефть и уголь, образовался в земных недрах из органических веществ животного происхождения (то есть отложений давно живших организмов) под действием высоких давлений и температур.
Живые организмы, погибшие и опустившиеся на морское дно, попадали в такие условия, где они не могли ни распадаться в результате окисления (ведь на морском дне нет воздуха и кислорода), ни уничтожаться микробами (их там просто не было). Отложения этих организмов образовали илистые осадки. В результате геологических движений эти осадки проникли на большие глубины. Там под влиянием давления и высокой температуры в течение миллионов лет проходил процесс, при котором содержащийся в осадках углерод перешел в соединения, называемые углеводородами. Свое название они получили потому, что их молекулы состоят из углерода и водорода. Углеводороды с большими молекулами (высокомолекулярные) - это жидкие вещества, из них образовалась нефть. А низкомолекулярные углеводороды (у которых маленькие молекулы) - это газы. Они-то и образовали природный газ. Но только газ образовался под воздействием более высоких температур и давлений, чем нефть.
Вот почему в месторождениях нефти всегда имеется и природный газ.
Со временем эти отложения ушли глубоко вниз - их покрыли слои осадочных пород.
Природный газ - это не однородная субстанция. Он состоит из смеси газов. Основную часть природного газа (98%) составляет газ метан. Кроме метана, в состав природного газа входят этан, пропан, бутан, а также немного неуглеводородных веществ - водорода, азота, углекислого газа, сероводорода.
Природный газ находится в земле на глубине от 1 до нескольких километров. В земных недрах газ находится в микроскопических пустотах - порах. Поры соединены между собой микроскопическими каналами -- трещинами. По этим каналам газ поступает из пор с высоким давлением в поры с более низким давлением.
Газ добывают из недр земли с помощью скважин. Газ выходит из недр через скважины наружу из-за того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное. Таким образом, движущей силой добычи газа с глубин является разность давлений в пласте и системе сбора.
На сегодняшний день природный газ является наиболее важным первичным источником энергии. Все газообразные, в большинстве своем неочищенные углеводородные соединения, которые добываются из недр земли и являются горючими, называются природным газом. Они не имеют запаха и содержат множество примесей.
В топливно-энергетических ресурсах мира природный газ оценивается в 630 млрд. м3 тут, что составляет 4,9% от общей суммы топливных ресурсов, а возможное извлекаемое количество его определяется в 500 млрд. м3 тут, т. е. Около 80% от прогнозных ресурсов. Известно, что доля природного газа в общемировом энергетическом балансе с 1900 г. возрастала медленными темпами и в мировом потреблении различных видов топлива в начале текущего столетия оценивалось в 0,9%.
Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе. Метан третий по распространенности газ вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удаленных от солнца планет и астероидов, однако такие скопления, как правило не относят к залежам природного газа, и они до сих пор не нашли практического применения. Значительно количество углеводородов присутствует в мантии Земли, однако они тоже не представляют интереса.
Огромные залежи природного газа сосредоточены в осадочной оболочке земной коры. Согласно теории биогенного происхождения нефти они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется при больших температурах и давлениях чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти.
Огромными запасами природного газа обладает Россия (Уренгойское месторождение), США, Канада. Из других европейских стран стоит отметить Норвегию, но её запасы невелики. Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеет Туркмения, а также Казахстан (Карачаганакское месторождение)
Во второй половине XX века в университете им. И. М. Губкина были открыты природные газогидраты (или гидраты метана). Позже выяснилось, что запасы природного газа в данном состоянии огромны. Они располагаются как под землей, так и на незначительном углублении под морским дном.
Природный газ - это лучший вид чистого и удобного топлива.
На нем можно готовить, им можно отапливать дома. На нем можно готовить, им можно отапливать дома. Природный газ имеет широкое применение в народном хозяйстве. Его отличают полнота сгорания без дыма и копоти; отсутствие золы после сгорания; легкость розжига и регулирование процесса горения.
Запасы природного газа на нашей планете очень велики. Он является источником сырья для химической промышленности. Помимо природного газа существует искусственный газ. Впервые он был получен в лабораторных условиях в конце XVIII века. Искусственным газом сначала освещались улицы и помещения, поэтому его и назвали “светильным газом”. Помимо названных газов существуют также попутные нефтяные газы. По своему происхождению тоже является природным газом. Особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью - он растворен в ней и находится над нефтью, образовывая газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого давления отделяется от нее.
В настоящее время основным видом транспорта является трубопровод. Газ под давлением 75 атмосфер движется по трубам диаметром до 1,4 метра. По мере продвижения газа по трубопроводу он теряет энергию, преодолевая силы трения как между газом и стенкой трубы, так и между слоями газа. Поэтому через определенные промежутки необходимо сооружать компрессорные станции (КС), на которых газ дожимается до 75 атм. Сооружение и обслуживание трубопровода весьма дорогостояще, но тем не менее -- это наиболее дешёвый способ транспортировки газа и нефти.
Кроме трубопроводного транспорта используют специальные танкеры -- газовозы. Это специальные корабли, на которых газ перевозится в сжиженном состоянии при определенных термобарических условиях. Таким образом, для транспортировки газа этим способом необходимо протянуть газопровод до берега моря, построить на берегу сжижающий газ завод, порт для танкеров, и сами танкеры. Такой вид транспорта считается экономически обоснованным при отдаленности потребителя сжиженного газа более 3000 км.
В 2004 международные поставки газа по трубопроводам составили 502 млрд. м 3 , сжиженного газа - 178 млрд. м 3 .
Также есть и другие проекты транспортировки газа, например с помощью дирижаблей, или в газогидратном состоянии, но эти проекты не нашли широкого применения в силу различных причин.
Основной составной частью природного газа является метан (CH4). Кроме метана в состав природного газа входят его ближайшие гомологи: этан, пропан, бутан. Содержание метана в природном газе обратно пропорционально общей молекулярной массе углеводорода. Различный состав имеет природный газ различных месторождений. Средний его состав следующий: метан-80,97% , этан-
0,5-0,4 , пропан-0,2-1,5% , бутан-0,1-1% , пентан 0-1% . На другие газы приходится от 2% до 13% объема.
Метан (CH 4) состовляет -- до 98 %. также могут входить более тяжёлыеуглеводороды:
Природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество меркаптанов, имеющих сильный неприятный запах.
Физические свойства Плотность: с = 0,7 кг/м? (сухой газообразный) либо 400 кг/м? (жидкий). Температура возгорания: t = 650 °C. Теплота сгорания: 16 - 35 МДж/м? (для газообразного). Октановое число при использовании на двигателях сгорания: 120 - 130.
Экономика газового моторного топлива есть следствие затрат на его производство. Особо важно, что всеми положительными качествами обладает газ, извлекаемый из недр, без всякой последующей переработки. Это в конечном итоге гарантирует его более низкую стоимость по сравнению с продуктами переработки нефти, независимо от особенностей законодательства. Несмотря на это в целях стимулирования производства этого топлива Правительством установлены предельные значения его продажной цены, которая не должна превышать 50% от местной цены бензина А-76. Тем не менее практика показывает, что в случаях, когда потребность в газовом топливе существенно возрастает, продажная цена может быть значительно ниже установленного предела. Это важно для потребителей, поскольку другие случаи возможного снижения цены на моторное топливо практически отсутствуют.
Энергетика природного газа определяется метаном, который составляет в зависимости от месторождения 85 - 99% общений массы газа. Физико-химические свойства метана существенно отличаются от других углеводородов, из которых состоят наиболее распространенные моторные топлива (бензин, керосин, дизельное топливо и др.). Молекула метана самая «короткая» из всех известных углеводородов, содержит 1 атом углерода и 4 атома водорода, которые соединены друг с другом не только благодаря обычным внутримолекулярным силам, но и с помощью специфической водородной связи. Это делает метан одним из самых стойких природных соединений и тем самым придает качества, особо ценные при использовании газа, как моторного топлива.
Теплота сгорания метана составляет 49,4 МДж/кг. У автомобильного бензина этот показатель равен 45,2 МДж/кг, что на 9% меньше. По сравнению с авиационным керосином преимущества метана еще выше - 11%. Это дает перспективу применения метана в качестве авиационного моторного топлива, поскольку весовые показатели в этом виде транспорта являются решающими.
Топливная экономичность газового двигателя - наиболее важный показатель автомобильного мотора - определяется октановым числом топлива и пределом воспламенения топливовоздушной смеси.
Октановое число является показателем детонационной стойкости топлива, которая ограничивает возможность применения топлива в мощных и экономичных двигателях с высокой степенью сжатия. В современной технике октановое число является главным показателем сортности топлива: чем оно выше, тем качественнее и дороже топливо. Благодаря высокой стойкости молекулы метана природный газ имеет наиболее высокое значение октанового числа из всех углеводородных топлив от 105 до 120 единиц, то есть имеет детонационную стойкость выше, чем у эталона этого показателя - изооктана. Наиболее распространенные в России бензины имеют октановые числа: 80-АИ, АИ-92, АИ-95 и АИ-98. Это качество позволяет применять природный газ не только для всех видов находящихся в эксплуатации двигателей с искровым зажиганием, но и форсировать эти двигатели по степени сжатия, улучшая мощностные и экономические показатели.
Из теории следует и практикой подтверждено, что удельные расходы топлива двигателем тем меньше, чем беднее топливовоздушная смесь, на которой работает двигатель, то есть чем меньше топлива приходится на 1 кг воздуха, поступающего в двигатель. Однако очень бедные смеси, где топлива слишком мало просто не воспламеняются от искры. Это и ставит предел повышению топливной экономичности. В смесях бензина с воздухом предельное содержание топлива в 1 кг воздуха, при котором воспламенение, возможно, составляет 54 г. В предельно бедной метановоздушной смеси это содержание составляет только 40 г. Поэтому на режимах, когда от двигателя не требуется развивать максимальную мощность (городское движение) автомобиль, работающий на природном газе значительно экономичнее, чем бензиновый. Специально поставленные ВНИИГАЗом опыты показали, что расход топлива на 100 км при движении автомобиля ЗИЛ 130, работающего на газе, со скоростями в пределах от 25 до 50 км/час в 2 раза меньше чем у того же автомобиля в тех же условиях, работающего на бензине.
Износостойкость газового двигателя вплотную связана с взаимодействием топлива и моторного масла. Одним из неприятных явлений в бензиновых двигателях является смывание бензином масляной пленки с внутренней поверхности цилиндров двигателя при холодном запуске, когда топливо поступает в цилиндры не испарившись. В этом же случае бензин в жидком виде попадает в масло, растворяется в нем и разжижает его, ухудшая смазочные свойства. Оба эффекта ускоряют износ двигателя. Природный газ независимо от температуры двигателя всегда остается в газовой фазе, что полностью исключает отмеченные факторы. Именно поэтому долговечность двигателя при работе оказывается в 1,4 - 1,6 раза выше, чем у бензинового.
Экологическая безопасность газовых двигателей в начале 21 века стала главным фактором, делающим преимущества газового моторного топлива неоспоримыми. Эта безопасность определяется тремя факторами:
Природные ресурсы метана на порядок превышают запасы нефти. При этом в случае применения природного газа в качестве моторного топлива практически все добытое из недр может быть использовано по квалифицированному назначению. Нефтяные же топлива получаются после переработки, при этом доля светлых нефтепродуктов далека от 100%. То есть применение нефтяного топлива требует большего истощения природных ресурсов, чем потребляется топлива. Расчеты показывают, что в случае перевода транспортных средств на газовое топливо, топливная безопасность человечества составит не меньше 200 лет. В то время, как ресурсы нефти могут истощиться за 30 - 50 лет, то есть за очень короткий срок для перестройки энерго-ресурсной политики.
Снижение выброса загрязняющих веществ в атмосферу при применении газового топлива определяется теми же свойствами природного газа, что обеспечивают высокую топливную экономичность двигателей. Бензиновые двигатели в силу высокого значения предела обеднения (54 г топлива на 1 кг воздуха) вынужденно регулируются на богатые смеси, что приводит к недостатку кислорода в смеси и неполному сгоранию топлива. В результате в выхлопе такого двигателя может содержаться значительное количество угарного газа (СО), который всегда образуется при недостатке кислорода. В случае же, когда кислорода достаточно, в двигателе при сгорании развивается высокая температура (более 1800о С), при которой происходит окисление азота воздуха избыточным кислородом с образованием окислов азота, токсичность которых в 41 раз превосходит токсичность СО - боевого отравляющего вещества. Кроме этих компонентов, в выхлопе бензиновых двигателей содержаться углеводороды и продукты их неполного окисления, которые образуются в пристеночном слое камеры сгорания, где охлаждаемые водой стенки не позволяют жидкому топливу испариться за короткое время рабочего цикла двигателя и ограничивают доступ кислорода к топливу. В случае применения газового топлива все указанные факторы действуют значительно слабее, в основном вследствие более бедных смесей. Продукты неполного сгорания практически не образуются, так как всегда есть избыток кислорода. Окислы азота образуются в меньшем количестве, так как при бедных смесях температура сгорания значительно ниже. Пристеночный слой камеры сгорания содержит меньше топлива при бедных газовоздушных смесях, чем при более богатых бензино воздушных. Таким образом, при правильно отрегулированном газовом двигателе выбросы в атмосферу угарного газ оказываются в 5-10 раз меньше, чем у бензинового, окислов азота в 1,5 - 2,0 раза меньше и углеводородов в 2 -3 раза меньше. Это позволяет соблюдать перспективные нормы токсичности автомобилей («Евро-2» и возможно и «Евро-3») при надлежащей отработке двигателей.
Тепличный газ - двуокись углерода - образуется при сгорании углерода, входящего в состав топлива. Содержание углерода в составе метана 75% по весу, в составе бензина 85%. Поэтому при полном сгорании метана образуется двуокиси углерода (СО2) на 13% меньше, чем бензина. То есть применение природного газа в качестве автомобильного топлива вместо бензина приведет и к снижению выделения парниковых газов, что в последнее время становится одной из главных экологических проблем Земли.
Газовые залежи по особенностям их строения разделяются на две группы: пластовые и массивные. В пластовых залежах скопления газа приурочены к определённым пластам-коллекторам. Массивные залежи не подчиняются в своей локализации определённым пластам. Наиболее распространены среди пластовых сводовые залежи, сохраняемые мощной глинистой или галогенной покрышкой. Подземными природными резервуарами для 85% общего числа газовых и газоконденсатных залежей служат песчаные, песчано-алевритовые и алевритовые породы, нередко переслоённые глинами; в остальных 15% случаев коллекторами газа являются карбонатные породы. Серия залежей, подчинённых единой геологической структуре, составляет отдельные месторождения. Структуры месторождений различны для складчатых и платформенных условий. В складчатых районах выделяются две группы структур, связанные с антиклиналями и моноклиналями. В платформенных районах намечаются 4 группы структур: куполовидных и брахиантиклинальных поднятий, эрозионных и рифовых массивов, моноклиналей, синклинальных прогибов. Все газовые и газонефтяные месторождения приурочены к тому или иному газонефтеносному осадочному (осадочно-породному) бассейну, представляющему собой автономные области крупного и длительного погружения в современной структуре земной коры. Среди них различают 4 группы: приуроченные к внутриплатформенным прогибам (например, Мичиганский и Иллинойсский бассейн Сев. Америки, Волго-Уральская обл. СССР); приуроченные к прогнутым краевым частям платформ (например, Зап.-Сибирский в СССР); контролируемые впадинами возрожденных гор (бассейны Скалистых гор в США, бассейны Ферганской и Таджикской впадин в СССР); связанные с предгорными и внутренними впадинами молодых альпийских горных сооружений (Калифорнийский бассейн в сша, сахалинский бассейн в СССР). Всё больше открывается газовых залежей в зоне шельфа и в мелководных бассейнах (например, в Северном море крупные газовые месторождения -- Уэст-Сол, Хьюит, Леман-Банк).
Природный газ ныне широко используется в качестве топлива и сырья для химической промышленности. Как источник энергии природный газ является одним из главных на Земле, уступая лишь нефти. Это связанно с преимуществами природного газа над другими видами топлива. Теплота сгорания очень высока, его подачу в печь легко регулировать, он не оставляет золы и является самым экологически чистым топливом, вот почему сейчас природный газ как источник энергии используется чаще чем каменный уголь, хоть и имеет меньший КПД.
Также немало важна роль природного газа как сырья химической промышленности. Именно использование природного газа помогло синтезировать многие химические вещества, несуществующие в природе (например, полиэтилен).
Давным-давно жители Ирака и Индии были убеждены, что когда из расщелин среди скал поднимаются ввысь языки пламени, то происходит это по велению бога огня. Поэтому этот огонь считается здесь священным.
А жители США до недавних пор ничего не знали ни о газе, ни о его свойствах. Очень часто природный газ сам по себе, без каких бы то ни было буровых работ, просачивался на поверхность земли сквозь расщелины в скалах, образуя естественные скважины этого природного сырья. Только в 19 веке в ходе бурения скважин был обнаружен природный газ. С 1872 года он стал использоваться в промышленных целях. Тогда же началось строительство газопроводов. Природный газ состоит из легковоспламеняющихся газов, главным образом из метана. Иногда природный газ добывается в чистом виде. Иногда он поднимается на поверхность вместе с нефтью. В случае, если газ выходит с нефтью, его необходимо очистить. Если же газ выходит отдельно, то нет никакой необходимости в его обработке. Любое месторождение нефти - это, по сути дела, и месторождение природного газа. Обычно газ скапливается среди пористой горной породы, покрытой глинистым сланцем, который не выпускает его наружу, но и не пропускает его внутрь. Газ может располагаться под камнями, как раз над нефтяным месторождением. В этом случае во время буровых работ происходит утечка газа. Но в деле освоения месторождений нефти и газа не обошлось и без досадных оплошностей. Так в течение 1-го года в районе штата Оклахома ежедневно добывали нефть на сумму в 25 тыс. $, но при этом каждый день в воздух утекало на 75 тыс. $ природного газа!
Хранение газа: метан природный газ моторное топливо
В связи с резко выросшей в последние годы добычи и использования газа комплексное решение вопросов оптимизации и повышения надежности дальнего газоснабжения стало задачей большой народнохозяйственной важности.
Известно, что система потребителей природного газа использует его неравномерно в связи с сезонным изменением потребности в топливе. Детальное изучение и учет неравномерности газоподачи и газопотребления в отдельные экономические районы страны с интенсивно развитой промышленностью привело к необходимости создания вблизи крупных городов газохранилищ большой емкости. Сооружение таких хранилищ - газгольдеров на поверхности и рассчитанных на содержание, на содержание в них огромных объемов газа, помимо сложности хранения, весьма и трудно осуществимо по технико-экономическим условием. Наиболее экономический способ хранения газа - это подземный. В этом случае используются выработанные нефтяные и газовые месторождения, или водоносные пласты. Рассмотрим особенности подземных хранилищ газа, сооружаемым в водоносных песчаных пластах. Емкостью для газа служит водоносный песчаный пласт, залегающий на глубине 890-910 м между плотными глинами девонского возраста. В этот пласт пробуренные скважины закачивается газ, поступающий по магистральным газопроводам из газодобывающих районов страны. Избыточное давление нагнетаемого газа создаваемое с помощью соответствующих компрессорных установок на поверхности в пределах водоносного пласта, образует своеобразную газовую залежь, подпираемую по периферии пластовой водой. В этом сущность процесса подземного хранения. Преимущества подземного хранения газа обуславливаются низкими капитальными и эксплуатационными затратами, повышением безопасности хранения, меньшей площадью и независимостью от атмосферных воздействий.
Еще три века назад слова “газ” не существовало, но из истории развития человечества известно, что природный горючий газ был известен с древнейших времен, но использование его не имело широкого распространения. В местах выхода его на поверхность земли он иногда загорался, и такой факел существовал долгое время. Эти факелы называли вечным огнем. XVII веке голландский ученый Ван-Гельмонт. Оно определяло вещество, в отличии от твердых и жидких тел способное распространятся по всему доступному ему пространству (в обычных условиях) без скачкообразного изменения своих свойств. С тех пор слово “газ” во все основные языки мира.
Среди известного комплекса естественных полезных ископаемых, относящихся к топливно-энергетической группе, одно из основных по использованию в народном хозяйстве странны, занимают природные горючие газы.
В своих записках о путешествиях Марко Поло упоминает о том, что природные газы использовались для освещения и отопления в некоторых районах Китая. Путешественник Кемпфер в своих отчетах о посещении Апшерона в 1682-1686 гг. писал, что жители полуострова широко применяют горючие газы для приготовления пищи и обжига известняков. В ряде других литературных источниках неоднократно упоминаются “вечные огни” в Сураханах (на Апшеронском полуострове), существовавшие еще в начале XX в. и привлекавшие большое внимание исследователей.
В топливном балансе дореволюционной России, как известно, ведущее место занимал каменный уголь; природный газ, несмотря на наличие его интенсивных проявлений на поверхности в ряде районов страны, совсем не использовался. Применять природный газ для топлива начали лишь после Великой Октябрьской революции. В дореволюционной России газовой промышленности не придавалось серьезного значения, хотя некоторые промышленные фирмы при эксплуатации нефтяных скважин на Апшеронском полуострове, добываемый вместе с нефтью, так называемый попутный газ, использовали на промысловых установках. После национализации нефтяной промышленности сразу же был поставлен вопрос об использовании газа, извлекаемого вместе с нефтью. В годы Великой Отечественной войны в Саратовской, а затем и в Куйбышевской областях, были открыты месторождения природного газа, добыча и использование которого положили начало не только добывающей отрасли промышленности, но и газовой индустрии. К этому периоду (1942-1946) относится сооружение газопроводов от открытых месторождений газа до Москвы. Послевоенный период в развитии газодобывающей отрасли характеризуется открытием ряда газоносных районов и областей. На Северном Кавказе, в пределах Ставропольского края, были открыты крупные газовые месторождения - Сенгилеевское, Северо-Ставропольское и др., которые определили тот край, как газоносный с наличием промышленных запасов газа. В течение длительного периода газовая промышленность развивалась совместно с нефтяной, и залежи газа открывались в процессе разведки нефтяных месторождений. В предвоенные годы природный газ добывали в незначительных объемах в Дагестане, в западных районах Украины. В послевоенный период в течение ряда лет уровень добычи газа несколько увеличился, но в народном хозяйстве использовался в незначительных объемах.
Потенциальные газовые ресурсы впервые были оценены по состоянию на начало 1958 года в размере 20,4 трлн. м3. Вторая официальна оценка газоносных возможностей недр нашей страны была произведена по состоянию геолого-геофизической изученности перспективной территории в 1962 г,
потенциальная газоносность недр нашей страны на это время была оценена в 60 трлн. м3. Последняя оценка перспективной газоносности отдельных территорий дана по состоянию на начало 1975 г.
Ниже приведены показатели использования природного газа разными потребителями (млн. м3/ год):
Добыча в Соединенных Штатах по итогам 2009 года выросла до 519 млрд. кубометров, тем самым опередим Российскою Федерацию с её 462 млрд. кубометров.
Борьба с потерями нефти, нефтепродуктов и природных газов является важнейшим мероприятием по оздоровлению природы. Очистка отходов производства с утилизацией управляемых веществ - наиболее перспективный путь охраны окружающей среды.
В настоящее широко используются механические очистительные установки и сооружения - нефтеловушки, песколовки, пруды-испарители, пруды для отстоя, кварцевые фильтры, деэмульгаторы и другие устройства. Но наиболее эффективным методом очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов является биохимическим. Суть этого процесса заключается в том, что сточные воды, миновав сложную сеть отстойников, попадают в бассейны - аэротенки биологической очистки. Миллиарды микроорганизмов нескольких десятков видов обитающих в аэротенках, поедают органические соединения, а не органические расщепляют на более простые, выводят в осадки. После очистки вода насыщается кислородом. Такие очистные сооружения, оборудованные сложным комплексом сложным комплексом различных установок, обеспечивают глубокую очистку промышленных стоков, возвращая в реки практически чистую воду, ничем не угрожающую живым организмам.
Особую важность в охране природы приобретает рекультивация земель после проведения на них геолого-съемочных и геофизических работ, бурения всех видов скважин, особенно глубоких. Благодаря своевременной рекультивации земель прекращается загрязнение воздуха и вод, усыхание и гибель растительности, снижение урожайности сельскохозяйственных культур, улучшается микроклимат и санитарно-гигиенические условия.
Литература
Потенциальные возможности использования сжиженного метана в качестве топлива для различных транспортных средств очень велики. Даже без учета перспективного развития транспортных средств можно утверждать, что на сжиженных природном и нефтяном газах как на основном топливе могут работать двигатели легковых и грузовых автомобилей, автобусов, двигатели железнодорожных локомотивов, машины океанских судов и судов внутренних линий.
При уменьшаются затраты на профилактический осмотр и ремонт двигателей подвижного транспорта, что положительно сказывается как на экономии средств от ремонта, так и на большей длительности безремонтного пробега автотранспортных средств. Кроме того, снижается степень загрязнения воздуха выхлопными газами.
Наиболее эффективно сжиженный метан в качестве горючего применять на железнодорожном транспорте (локомотивы с газотурбинными двигателями, имеющие высокий коэффициент использования).
В качестве топлива сжиженный природный газ используется непосредственно на , на которых перевозятся большие объемы СПГ в отдаленные уголки земного шара. Большой интерес представляет использование паров сжиженного газа из метановых резервуаров в качестве топлива для метановозов.
Сжиженный метан – топливо, которое может применятся на большинстве видах транспорта: как для грузовых автомашин и автобусов, так и для сверхзвуковых самолетов, для водного и железнодорожного транспорта. Стоит отметить, что использование сжиженного метана в качества моторного топлива более эффективно в сравнении со сжиженным нефтяным газом (СНГ ) и бензином. Как известно, двигатели, работающие на бензине, сильно загрязняют воздух. Благодаря своему является эффективным топливом, значительно меньше загрязняющим атмосферу.
Одной из наиболее интересных проблем, разрабатываемых в газовой промышленности, является использование сжиженного метана в качество топлива для авиационных двигателей. Сжиженный метан считается лучшим реактивным топливом. Использование его в качестве реактивного топлива приводит к увеличения полезной нагрузки самолета, повышению скорости и снижению эксплуатационных затрат.
Имея наивысшую теплотворную способность среди природных углеводородов, метан позволяет улучшить показатель удельного расхода топлива примерно на 13%.
Однако, СПГ имеет следующий недостаток: он быстро образует пар при сжигании, так как закипает при температуре около –162°С. С другой стороны, он обладает значительными преимуществами:
Сжиженный метан значительно превосходит реактивное топливо. Он не выделяет дыма при сжигании и его можно использовать для охлаждения греющихся металлических частей выхлопной системы, являющихся первичными источниками инфракрасной радиации. И, наконец, при применении метана увеличивается срок службы оборудования самолета.
Как известно, при сжигании СПГ выделяется на 15% больше тепла в расчете на 1 кг веса по сравнению с авиационным керосином. Таким образом, даже при идентичном типе двигателя и том же тепловом к.п.д. удельный расход топлива улучшается на 16%, если в качестве топлива используется сжиженный метан.
Проведенные эксперименты с сотнями газотурбинных двигателей авиационного типа, работавших на природном газе, доказали, что в данном случае происходит более чистое сгорание топлива и более равномерное распределение тепла. Только за счет этого можно повыситьтемпературу газового потока на 110-176°С без увеличения температуры деталей турбины, которая определяет ресурсы самого двигателя и вспомогательных систем.
Если в качестве топлива используется сжиженный природный газ, то только за счет его возможности охлаждать металлические части двигателя можно добиться значительных преимуществ в технической характеристике и эксплуатационных качествах газотурбинных двигателей, что характерно для ракетных двигателей, сжигающих жидкий кислород и жидкий водород. Хладопроизводительность СПГ в 6 раз выше хладопроизводительности керосина.
Положительным свойством СПГ является не только то, что он находится в топливном баке при очень низкой температуре (около –160°С), но также и то, что этот вид топлива представляет собой очень стабильное соединение, которое может нагреваться до температуры 650°С. Только после этого происходит его частичный распад. Реактивнее же топливо не может нагреваться без разложения до температуры выше 250°С.
При охлаждении камеры сгорания газотурбинного двигателя и лопаток турбины сжиженным природным газом температуру газа, поступающего в турбину, можно повысить с 1093°С до 1927°С. Соотношение горючего и воздуха в смеси может приближаться к стехиометрической величине, теоретически равной около 2500°С.
Двигатели вертолетов, охлаждаемые топливом и сконструированные специально с целью максимального использования всех преимуществ исключительно высокого уровня температуры и значительно более высокие степени сжатия, могут обеспечить к.п.д. свыше 35%. В связи с этим удельный расход топлива уменьшается на 30-50%.
Уменьшение удельного расхода топлива является наиболее важным преимуществом двигателя вертолета, работающего на сжиженном природном газе. Другое важное преимущество заключается в сокращении удельного расхода воздуха двигателем примерно на 30-40%. Следовательно, существует возможность уменьшить размер двигателя при той же мощности.
Как известно, половина шумовой энергии вертолета образуется в результате выхлопа. При переходе на СПГ в качестве топлива значительно сокращается шум двигателя в результате уменьшения силы выхлопа отработанных газов. Таким образом, даже при увеличении мощности двигателя производимый им шум будет меньше.
Хотя теплосодержание СПГ на 15% выше, чем авиационного керосина в расчете на единицу веса, (424 г/л) значительно ниже плотности керосина (780 г/л). Теплосодержание СПГ на единицу объема фактически на 40% ниже по сравнению с теплосодержанием авиационного керосина. Это значит, что с увеличением теплового к.п.д. уменьшается вес горючего, хранимого на борту самолета, а объем баков остается почти тот же.
Сжиженный природный газ в отличие от авиационного керосина не имеет запаха и не токсичен.
При замене реактивного топлива сжиженным природным газом в выхлопных газах не содержится ни сажи, ни серосоединений. Значительно уменьшается также содержание окиси углерода. При работе двигателя на СПГ выхлопные газы практически не содержат олефиновых углеводородов, которые под действием солнечного света соединяются с окислами азота и образуют наиболее неприятную по запаху и вредную для здоровья часть выхлопных газов.
Таким образом, в отличие от других видов топлива сжиженный природный газ является дешевым и удобным в употреблении топливом,. гарантирующим повышение эксплуатационных качеств летательных аппаратов.
Природный газ содержит метан, тяжёлые углеводороды и инертные компоненты, которые влияют на характеристики горения. По этой причине транспортные компании и покупатели СПГ устанавливают допустимые диапазоны содержания компонентов и теплоты сгорания. Эти требования широко варьируются в зависимости от рынка сбыта. Но, несмотря на это, требования к качеству СПГ никогда не получали большого внимания при проектировании заводов. Исторически сложилось так, что проекты заводов опирались на долгосрочные контракты с несколькими покупателями, и почти не возникало нужды гибко подходить к проектированию заводов как в отношении процесса сжижения, так и на стороне получения конечного продукта. Однако ситуация меняется, так как индустрия СПГ становится более глобальной. Собственники заводов СПГ ориентируются теперь не на один-единственный рынок, а новые рынки предъявляют требования, которые не всегда совместимы с существующими производствами. Кроме того, растущий рынок СПГ даёт больше возможностей покупателям и продавцам, которые могут обеспечить гибкость в отношении показателей качества. В результате наблюдается активная тенденция к внедрению технологий повышения качества СПГ во время сжижения и на стороне получения конечных продуктов. Требования к качеству природного газа преследуют несколько целей, включая защиту от коррозии, исключение выпадения жидкой фазы в трубопроводах и влияние на характеристики горения. Требования, связанные с предотвращением коррозии, ограничивают концентрации СО2, H2S, меркаптанов и общей серы. Установки СПГ удаляют СО2 из газа до уровня 50 ppmv, чтобы предотвратить замерзание в криогенных перерабатывающих установках и, таким образом, выполнить требования, предъявляемые к газу магистрального качества. Требования по сере обычно соответствуют японскому рынку, который ограничивает концентрацию H2S значением 5 мг/нм 3 , а общую серу - цифрой 30 мг/нм 3 . Соответствие японским требованиям будет также означать соответствие требованиям для Европы и США (кроме штата Калифорния, где общая сера не должна превышать 18 мг/нм 3). Кислый газ обычно удаляется в установках амиловой очистки, использующих принцип поглощения кислых компонентов газа щелочным растворителем. СО2 как кислота слабее H2S, и поэтому часто именно процесс снижения концентрации СО2 до уровня 50 ppmv выступает определяющим при проектировании установок удаления кислого газа (H2S - более сильная кислота, и поэтому от него легче избавиться). Исключение составляют заводы, перерабатывающие природный газ с высоким содержанием меркаптанов.
Меркаптаны - крайне слабые кислоты, и их приходится удалять иными методами, чем прямое химическое поглощение. Чтобы предотвратить выпадение жидкости, газотранспортные компании ограничивают количество бутана, пентана и более тяжёлых компонентов. Заводы СПГ должны удалять более тяжёлые углеводороды, чтобы предотвратить замерзание в процессе сжижения, а удалённые тяжёлые компоненты представляют собой побочный продукт - газоконденсатный бензин. Таким образом, технические требования на содержание тяжёлых фракций большинство заводов сжижения удовлетворяет без труда.
Требования к предотвращению коррозии и выпадению жидкости достаточно последовательны, и нужды самих производств СПГ (то есть, предотвращение замерзания в ходе криогенной переработки) делают эти технические требования почти универсальными. Остаются требования к теплотворной способности и взаимозаменяемости газа. Здесь технические требования значительно отличаются, как и сама продукция из разных источников СПГ по всему миру, и именно взаимозаменяемость представляет самую большую проблему.
Использование природного газа для удовлетворения различных потребностей человека началось задолго до рождения современной газовой промышленности и имеет не менее богатую и даже более длительную историю, чем использование жидких и полутвердых разновидностей углеводородного сырья: нефти, битума, асфальта.
Первые успешные попытки применения газообразного топлива были предприняты в Древнем Китае не менее чем за 1000 лет до нашей эры: природный газ, добывавшийся при помощи глубоких скважин и перекачивавшийся по бамбуковым трубопроводам, использовался в качестве топлива для выпаривания соли из естественных соляных растворов.
И, тем не менее, применение газообразного топлива не получило сколь либо заметного развития до начала 19 века, первые десятилетия которого ознаменовались началом коммерческого использования искусственного (каменноугольного) газа для освещения улиц, жилых домов и т. п.
Что касается природного газа, то его использование в промышленных масштабах началось гораздо позже - в 70-х годах прошлого столетия - в связи с прокладкой первых магистральных трубопроводов в северо-восточных районах США, а становление мировой промышленности природного газа - лишь по окончании второй мировой войны.
Без обширного использования природного газа, невозможно эффективное развитие важнейших отраслей промышленности, особенно таких как, цветная и черная металлургия, металлообрабатывающая, цементная, химическая и нефтехимическая, нефтеперерабатывающая, машиностроение и многие другие. Большое количество природного газа используется в коммунальном хозяйстве. Природный газ широко используется, т. к., имеет сравнительно дешевую стоимость, простую трубопроводную транспортировку и распределения. Применение природного газа способствует увеличению производительности труда, автоматизации технологических процессов, повышению качества и снижению стоимости выпускаемой продукции. Основное преимущество газового топлива - это повышение санитарно-гигиенического уровня производства, улучшение условий быта населения, очистка воздушного бассейна. Кроме природного газа народом часто потребляется большое количество искусственных газов. А также транспортировка газа по трубопроводам намного дешевле транспортировок топлива по железной дороге, что позволяет высвободить огромное количество рабочей силы, используемое при, перевозке, загрузке/разгрузке железнодорожного транспорта и добыче.
Использование природного газа в такой промышленности, как химическая, позволяет увеличить производство ценных химических веществ (синтетических волокон, каучука, спиртов и других). Подведя итоги, видно, что преимущества использования газа очевидны перед другими видами топлива. Так что приходим к выводу, что другие виды топлива, имеет значение развивать только в качестве резервных или дополнительных - на случай перебоя газоснабжения.
Начало применению газа как моторного топлива было положено более 150 лет назад, когда бельгиец Этьен Ленуар создал двигатель внутреннего сгорания, работавший на светильном газе. Особой популярности этот вид топлива не получил. Последовавший вскоре рост добычи нефти и удешевление продуктов ее переработки, а также создание более совершенных двигателей сделали бензин лидером топливного рынка. Вновь интерес к газомоторному топливу возник в первой половине XX века. В России это направление стало развиваться с 30-х годов, когда из-за дефицита нефти при бурно развивающейся промышленности правительство приняло решение перевести часть транспорта на газ. Соответствующее постановление вышло в 1936 году. Был налажен выпуск техники, открыты заправки, начались разработки газовых двигателей, причем использовались оба вида газа - компримированный и углеводородный. Полномасштабной реализации программы помешала Великая Отечественная война. Тем не менее, от замысла не отказались: уже в мирное время были спроектированы и переданы в производство новые газобаллонные автомобили, число которых достигло 40 тыс. Для них строились десятки газозаправочных станций.
Газ как моторное топливо представлен двумя основными разновидностями - компримированный природный газ (КПГ), который поступает на специальные заправки - АГНКС - по газопроводам, и сжиженный углеводородный газ (СУГ). Первый является метаном, а второй - смесью пропана и бутана, продуктом переработки попутного нефтяного газа (ПНГ). Исторически первым распространение получил пропан-бутан. Его преимущество в том, что он легко сжижается при обычной температуре при давлении всего 10-15 атмосфер. При этом для его перевозки достаточно стального баллона с толщиной стенок всего 4-5 мм. С метаном сложнее. Сжижать его можно только при низких температурах, порядка минус 160 градусов по Цельсию. Расход сжатого природного газа (в отличие от сжиженного нефтяного газа) измеряется не в литрах, а в наполнительных метрах. Так как КПГ в основном состоит из метана, то его массовая теплота сгорания составляет 49,4 МДж/кг, что на 9% выше, чем у бензина, и на 11% выше, чем у авиа-керосина.
У потребителя, если он переходит с традиционного горючего на СУГ, расходы на горюче-смазочные материалы сокращаются на 20-25%. В свою очередь у компримированного природного газа по сравнению с углеводородным тоже есть преимущество.
Энергетическая отдача СУГ примерно на 25% меньше, чем у КПГ - 6175 ккал/м. куб. и 8280 ккал/м. куб. соответственно. Для потребителя это означает, что на одинаковое расстояние сжиженного углеводородного газа потребуется на 25-30% больше, к тому же он немного уступает КПГ по экологическим параметрам.
Также благодаря использованию природного газа в качестве топлива увеличивается срок службы масла и самого двигателя внутреннего сгорания. При работе мотора на газовом топливе не происходит смывания масляной пленки со стенок блока цилиндров, кроме того, на головке блока цилиндров не образовываются отложения углерода, не закоксовываются поршневые кольца, из-за которых происходит изнашивание элементов.
Оборотной стороной медали использования газа в качестве топлива становится возможная неравномерность работы мотора. Это связано с резонансом во впускной системе и расслоением газо-воздушной смеси. Усложняется и пуск холодного двигателя внутреннего сгорания зимой. Это объясняется более высокой температурой воспламенения газового топлива и меньшей скоростью сгорания.
Природный газ нужен не только для приготовления пищи, обогрева дома и получения электричества. Еще им можно заправлять автомобиль. Природный газ в качестве топлива намного дешевле и экологичнее нефтепродуктов.
Одним из первых использовать газообразное горючее предложил Филипп Лебон. В 1801 году он получил патент на конструкцию, в которой газ и воздух сжимаются отдельными компрессорами и смешиваются в специальной камере. В 1860 году французский изобретатель Этьен Ленуар сконструировал первый практически пригодный газовый двигатель внутреннего сгорания. Он придумал воспламенять газовоздушную смесь в двигателе с помощью электрической искры.
Предок современного автомобиля на газомоторном топливе - самоходная повозка с двигателем внутреннего сгорания - работала на светильном газе (получаемом путем сухой перегонки из определенных сортов каменного угля). В 1894 году в немецком городе Дессау природный газ применяли в качестве топлива для железнодорожного транспорта. Однако транспорт на газе не получил широкого распространения в 19 веке.
В конце 40-х и начале 50-х годов 20-го века в СССР производили газобаллонные автомобили на метане и развивали сеть АГНКС. Но начальный уровень газоснабжения и относительно малый в то время объем добычи газа не позволили расширить применение такого транспорта.
Для заправки транспорта используют различные виды сжиженного газа: метан (природный газ), пропан, бутан и их смеси (так называемые углеводородные газы). Кроме того, метан используется и в сжатом (компримированном) виде. В этой статье речь пойдет именно о природном газе в качестве автомобильного топлива. Для того, чтобы получить компримированный газ, метан сжимают при помощи компрессора. Его объем при этом уменьшается в 200–250 раз.
Для получения сжиженного газа природный газ нужно охладить до температуры -161,5 °С. Объем газа при этом уменьшается в 600 раз.
В выхлопах автомобиля, работающего на «голубом топливе», вредных веществ в 5 раз меньше по сравнению с автомобилем с бензиновым двигателем. Это серьезное преимущество природного газа, ведь транспорт - главный загрязнитель атмосферы, особенно в крупных городах. Перевод автомобилей и автобусов на природный газ поможет сделать воздух чище и улучшить экологию городов.
Сегодня метан в России стоит около 12 рублей за кубический метр (эквивалентно литру бензина). Это в 3 раза дешевле бензина, при том, что расходуется природный газ экономнее. Особенно выгодно использовать газомоторное топливо на общественном транспорте, который ежедневно проходит большие расстояния. Например, если перевести 100 автобусов с обычного топлива на метан, то за счет разницы в цене на топливо за год можно сэкономить 34 млн рублей.
Кроме того, метан не содержит примесей, а значит, не образует отложений в топливной системе при сгорании. Двигатель на газе работает дольше и эффективнее.
Природный газ - самое безопасное топливо из всех доступных на сегодняшний день. В случае аварии метан не скапливается в углублениях и не образовывает горючую смесь паров с воздухом. Так как газ легче воздуха, он сразу улетучивается, поэтому его утечка не представляет опасности.
Баллоны, в которых хранится метан, имеют очень толстые и прочные стенки. В процессе производства их многократно проверяют, чтобы емкости могли выдерживать давление газа.
Сегодня практически все крупнейшие автопроизводители выпускают автомобили на метане. Мировые лидеры автопрома - Volvo, Audi, Chevrolet, Daimler-Benz, Iveco, MAN, Opel, Peugeot, Citroen, Sсania, Fiat, Volkswagen, Ford, Honda, Toyota - все они сегодня предлагают заводские автомобили с двигателями, работающим на компримированном природном газе. Эти машины ни в чем не уступают традиционным бензиновым аналогам и пользуются большой популярностью среди автовладельцев. На сегодняшний день в мире насчитывается более 17 млн автомобилей, работающих на метане, и это число продолжает расти.
Природный газ в качестве автомобильного топлива используется давно, но у нас таких машин мало. А литр газа, между тем, дешевле бензина. Поговорим, какой тип природного газа предпочтителен для автомобилей.
Во-первых, природный газ, состоящий в основном из метана, наиболее экологичен. Формула метана - CH 4 , а пропана - C 3 H 8 . При сгорании каждого получается углекислый газ CO 2 и вода, но метан окислить проще, вдобавок продуктов сгорания он дает меньше. Во-вторых, метан безопаснее - он легче воздуха, поэтому не скапливается в багажнике или под машиной, в отличии от пропана-бутана.
В третьих, запасы природного газа огромны, их хватит на ближайшие 150 лет, а цена в 3 раза дешевле автомобильного топлива. Но надо учитывать, что расход на газовом топливе будет чуть выше, т.к. на одном кубометре метана можно проехать столько же, сколько на 1,1 литре бензина.
Какие недостатки у метана? Главная причина - слабо развитая инфраструктура метановых заправок - в России их всего 250 штук. Получается, что метан экологичнее, дешевле, безопаснее бензина - и увеличивает ресурс двигателя : он не оставляет нагара в камере сгорания и не смывает масляную пленку со стенок цилиндров. Но заправок почти нет. Поэтому предпочтителен среди частников другой тип газа - это пропан-бутан.
Газовое оборудование - это фактически дополнительный бак, увеличивающий запас хода на 200-500 км. В эксплуатации такой автомобиль не доставит хлопот. Двигатель пускается на бензине и при достижении температуры +25 о С в системе охлаждения переходит на газовое топливо. Автоматика тем самым следит, чтобы не обледенел газовый редуктор. Кроме того, переход с одного вида топлива на другое может производится непосредственно из салона вручную.
Если сравнивать езду в городе, то заметной разницы между ездой на газе и бензине не ощущается. Не будет ни каких проблем с троганием и реакций на педаль "газа", но в предельных режимах - мощности не достает. Так, работа на газе уменьшает отдачу серийного двигателя мощностью 106 л.с. до 98 л.с. Это может стать неудобным при обгонах на трассе, но решение - это заранее переключиться на работу бензина.
Главный минус - значительное сокращение объема багажника. Дополнительный бак устанавливают в нишу запаски, а само запасное колесо придется перенести в багажник. В хэтчбеках газовый баллон может оказываться в салоне. Тем самым сводятся на нет конструктивные преимущества, позволяющие увеличивать объем багажника за счет складывания задних сидений.
К менее существенным недостаткам заправки автомобиля газовым топливом можно отнести некоторое ухудшение разгонной динамики автомобиля (на 5%), что, впрочем, компенсируется некоторым увеличением расхода газа. Кроме того, время горения газа более продолжительное, чем у бензина , и температура в камере сгорания выше.
Если годовой побег автомобиля 10-15 тысяч по маршруту "работа-дом", то затраты на ГБО окупятся не скоро. Но если автомобиль "рабочий" и его ежедневный пробег составляет сотню-полторы километров, то оборудование окупит себя за полгода.
