Природный газ в химической промышленности. Перспективы и тенденции

Газ - это одно из наиболее широко используемых полезных ископаемых. Он применяется во многих областях жизнедеятельности человека в качестве топлива и позволяет выполнять задачи, которые были недостижимы ранее. Природный газ, также как уголь или нефть, добывается из земных недр при помощи специального оборудования. Он образовывался под действием высокой температуры и давления из остатков органических веществ животного происхождения на протяжении тысяч лет.

Довольно неоднороден, в зависимости от мест залегания и различных внешних факторов в него могут входить в разных количествах: азот, этан, бутан, пропан, водород, сероводород и т. д.

Как используют газ в современном мире?

В основном, газ используют как топливо для автомобилей, тепловых электростанций, горючее для обогрева жилых и складских помещений, а также для нагрева и приготовления пищи. Он широко применяется в химической и топливо-энергетической отраслях промышленности. Из-за доступной цены и абсолютной экологичности (газ считается самым безвредным в природе минеральным топливо) он используется как для бытовых, так и для промышленных нужд по всей планете.

Как используют природный газ в химической промышленности?

Применение природного газа в химической промышленности позволило синтезировать такие вещества, как полиэтилен, который ранее не существовал в природе. Кроме того, его используют в качестве сырья для создания разнообразных органических веществ: кислот, спирта, пластмасс, каучука и т. д.

Сам по себе природный газ не имеет запаха и цвета. Из-за данной особенности он не может использоваться в чистом виде, так как его утечка будет абсолютно незаметна. Чтобы обезопасить людей, в газ добавляют вещества, имеющие неприятный запах, такие, как этилмеркаптан.

Как транспортируют и где используют природный газ?

Природный из скважин, после чего его очищают от различных примесей, добавляют ароматизатор и подают в трубопровод под давлением в 75 атмосфер. Он перекачивается по газотранспортной системе до распределительных станций, от которых направляется к потребителям под значительно меньшим давлением.

Также существует способ сжижения природного газа, который позволяет транспортировать его с помощью специальных танкеров. Дальнейшее использование подобного газа ничем не отличается от предыдущего варианта. В порту газ выкачивается и подается в газотранспортную систему.

Природный газ - полезное ископаемое группы осадочных горных пород, которое являет собой смесь газов. Этот ресурс возник в результате разложения органических веществ в недрах Земли. Экологи признают природный газ самым чистым видом органического топлива.

Характеристики и виды природного газа

Характеристика природного газа зависит от его состава. Он легче воздуха в 1,8 раза, температура самовозгорания 650°C. Сухой газ имеет плотность от 0,68 кг/м 3 до 0,85 кг/м 3 , а жидкий 400 кг/м 3 . Смесь газа с воздухом от 5% до 15% объёма - является взрывоопасной. Удельная теплота сгорания от 8-12 квт-ч/м 3 . При использовании природного газа в двигателях внутреннего сгорания октановое число равняется от 120 до 130.

Большая часть природного газа - это смесь газоподобных углеводородов. Основную часть составляет метан (СН 4 - до 98%), а также тяжелые углеводороды - этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 . В состав входят и другие неуглеродные вещества: водород Н 2 , сероводород Н 2 S, диоксид углерода СО 2 , азот N 2 , гелий Не.

В чистом виде природный газ не имеет ни цвета, ни запаха. Для облегчения определения места утечки, к нему подмешивают одоранты, вещества с неприятным запахом.

Виды природного газа:

• сжиженный (СУГ);
• болотный;
• нефтяной;
• угольный;
• газовые гидраты;
• сланцевый;
• светильный;
• коксовый;
• компримированный или сжатый (КПГ);
• попутный нефтяной;
• по ярусам и подъярусам земляного пласта мелового периода, откуда он добывается сегодня - туронский, сеноманский, валанжинский, ачимовский.

Месторождение природного газа

В основном, залежи природного газа находятся в осадочной оболочке земной коры. Огромными запасами природного газа владеет Россия (Уренгойское месторождение), в Европе - Норвегия, Нидерланды, большинство стран Персидского залива, Иран, Канада, США, большие залежи есть в Азербайджане, Узбекистане, Туркмении и Казахстане. Газовые гидраты в огромном количестве присутствуют на большой глубине под морским дном, также и под землей.

Добыча природного газа

Перед проведением добычи, сначала проводят разведку - гравитациоанную, магнитную, сейсмическую или геохимическую. Однако единственный достоверный способ выяснить, есть ли под вами запас газа, - бурение скважины. Природный газ находится на глубине от одного километра. В недрах Земли газ находится в микроскопических порах, которые соединены между собой каналами - трещинами, по них под высоким давлением этот важный ресурс проникает в поры более низкого давления до тех пор, пока не окажется внутри скважин. Все это осуществляется в соответствии с законом Дарси - фильтрации газов и жидкостей в пористой среде. Газ выходит из недр в результате того, что в скважинах он находится под давлением, что в несколько раз превышает атмосферное.

Газ добывают с помощью скважин, которые равномерно распределяют по всей площади месторождения. Это делается для равномерного падения пластового давления в залежи. Добытый газ подготавливают к транспортировке. Транспортируют газ трубопроводами, специальными танкерами-газовозами, железнодорожными цистернами.

Использование природного газа

Природный газ используют как высокоэкономичное топливо для электростанций, для цементной и стеклянной промышленности, черной и цветной металлургии, производства стройматериалов, получения различных органических соединений. Этот важный ресурс используется для и для коммунально-бытовых нужд. Источник энергии для мегаполисов, моторное топливо, краска, клей, уксус, аммиак - все это мы имеем благодаря природному газу.

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц) (т. н. одорантов). Чаще всего в качестве одоранта применяется этилмеркаптан (16г на 1000 куб.м.природного газа).

Для облегчения транспортировки и хранения природного газа его сжижают , охлаждая при повышенном давлении.

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано другое):

Свойство газа находиться в твердом состоянии в земной коре

В науке долгое время считалось, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают в земной коре в жидком состоянии, а более легкие - в газообразном. Однако российские ученые А. А. Трофим4ук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определенных термодинамических условиях переходить в земной коре в твердое состояние и образовывать газогидратные залежи . Это явление было признано как научное открытие и занесено в Государственный реестр открытий СССР под № 75 с приоритетом от 1961 г.

Газ переходит в твердое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях (до 250 атм) и сравнительно низких температурах (до 295°К). Газогидратные залежи обладают несравненно более высокой концентрацией газа в единице объема пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как один объем воды при переходе ее в гидратное состояние связывает до 220 объемов газа. Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемерзлых пород , а также под дном Мирового океана.

Месторождения природного газа

В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при бо́льших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти .

Газ добывают из недр земли с помощью скважин . Скважины стараются разместить равномерно по всей территории месторождения. Это делается для равномерного падения пластового давления в залежи. Иначе возможны перетоки газа между областями месторождения, а также преждевременное обводнение залежи.

Газ выходит из недр вследствие того, что в пласте находится под давлением, многократно превышающем атмосферное . Таким образом, движущей силой является разность давлений в пласте и системе сбора.

См. также: Список стран по добыче газа

Подготовка природного газа к транспортировке

Завод для подготовки природного газа.

Газ, поступающий из скважин, необходимо подготовить к транспортировке конечному пользователю - химический завод, котельная , ТЭЦ , городские газовые сети. Необходимость подготовки газа вызвана присутствием в нём, кроме целевых компонентов (целевыми для различных потребителей являются разные компоненты), также и примесей, вызывающих затруднения при транспортировке либо применении. Так, пары воды, содержащейся в газе, при определённых условиях могут образовывать гидраты или, конденсируясь, скапливаться в различных местах (например, изгиб трубопровода), мешая продвижению газа; сероводород вызывает сильную коррозию газового оборудования (трубы, ёмкости теплообменников и т. д.). Помимо подготовки самого газа, необходимо подготовить и трубопровод. Широкое применение здесь находят азотные установки , которые применяются для создания инертной среды в трубопроводе.

Газ подготавливают по различным схемам. Согласно одной из них, в непосредственной близости от месторождения сооружается установка комплексной подготовки газа (УКПГ), на которой производится очистка и осушка газа в абсорбционных колоннах . Такая схема реализована на Уренгойском месторождении .

Если газ содержит в большом количестве гелий либо сероводород , то газ обрабатывают на газоперерабатывающем заводе, где выделяют гелий и серу. Эта схема реализована, например, на Оренбургском месторождении.

Транспортировка природного газа

В настоящее время основным видом транспорта является трубопроводный. Газ под давлением 75 атм прокачивается по трубам диаметром до 1,4 м. По мере продвижения газа по трубопроводу он теряет потенциальную энергию, преодолевая силы трения как между газом и стенкой трубы, так и между слоями газа, которая рассеивается в виде тепла. Поэтому через определённые промежутки необходимо сооружать компрессорные станции (КС), на которых газ дожимается до 75 атм и охлаждается. Сооружение и обслуживание трубопровода весьма дорогостоящи, но тем не менее - это наиболее дешёвый с точки зрения начальных вложений и организации способ транспортировки газа на небольшие и средние расстояния.

Кроме трубопроводного транспорта широко используют специальные танкеры - газовозы . Это специальные суда, на которых газ перевозится в сжиженном состоянии в специализированных изотермических емкостях при температуре от −160 до −150 °С. При этом степень сжатия достигает 600 раз в зависимости от потребностей. Таким образом, для транспортировки газа этим способом, необходимо протянуть газопровод от месторождения до ближайшего морского побережья, построить на берегу терминал, который значительно дешевле обычного порта, для сжижения газа и закачки его на танкеры, и сами танкеры . Обычная вместимость современных танкеров составляет от 150 000 до 250 000 м³. Такой метод транспортировки является значительно более экономичным, чем трубопроводный, начиная с расстояний до потребителя сжиженного газа более 2000-3000 км, так как основную стоимость составляет не транспортировка, а погрузочно - разгрузочные работы, но требует более высоких начальных вложений в инфраструктуру, чем трубопроводный. К его достоинствам относится также тот факт, что сжиженный газ куда более безопасен при перевозке и хранении, чем сжатый.

В 2004 г. международные поставки газа по трубопроводам составили 502 млрд м³, сжиженного газа - 178 млрд м³.

Также есть и другие технологии транспортировки газа, например с помощью железнодорожных цистерн.

Были так же проекты использования дирижаблей или в газогидратном состоянии , но эти разработки не нашли применения в силу различных причин.

Экология

В экологическом отношении природный газ является самым чистым видом органического топлива. При его сгорании образуется значительно меньшее количество вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Однако сжигание человечеством огромного количества различных видов топлива, в том числе природного газа, за последние полвека привело к некоторому незначительному увеличению содержания углекислого газа в атмосфере, который является парниковым газом . Некоторые ученые на этом основании делают вывод об опасности возникновения парникового эффекта и как следствие - потепление климата. В связи с этим в 1997 году некоторыми странами был подписан Киотский протокол по ограничению парникового эффекта. По состоянию на 26 марта 2009 года Протокол был ратифицирован 181 страной мира (на эти страны совокупно приходится более чем 61 % общемировых выбросов).

Следующим шагом было внедрение в действие с весны 2004 года негласной альтернативной глобальной программы ускоренного преодоления последствий техноэкологического кризиса. Основой программы стало установление адекватного ценообразования на энергоносители по их топливной калорийности. Цена определяется исходя из стоимости получаемых энергий на конечном потреблении из единицы измерения энергоносителя. С августа 2004 года по август 2007 года было рекомендовано и поддерживалось регуляторами соотношение 0,10 долларов США за киловатт-час (средняя стоимость нефти - 68 долларов за баррель). С августа 2007 года была произведена ревальвация соотношения до 0,15 долларов за киловатт-час (средняя стоимость нефти - 102 доллара за баррель). Финансово-экономический кризис внёс свои коррективы, но указанное соотношение будет восстановлено регуляторами. Отсутствие управляемости на рынке газа задерживает установление адекватного ценобразования. Средняя стоимость газа при указанном соотношении - 648 долларов за 1000 м³.

Применение

Автобус, работающий на природном газе

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как топливо для машин (газотопливная система автомобиля), котельных , ТЭЦ и др. Сейчас он используется в химической промышленности как исходное сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс. В XIX веке природный газ использовался в первых светофорах и для освещения (применялись газовые лампы)

Примечания

Ссылки

• Химический состав природного газа различных месторождений, его теплота сгорания, плотность

Что мы знаем об углеводородах? Ну разве что что-то из школьной программы по химии, да периодически мелькающее в СМИ слово "метан"… Что мы знаем о природном газе, кроме его взрывоопасных свойств? Каково еще применение природного газа, кроме общеизвестных нам приготовления пищи и отопления жилых построек? Что нового происходит в мире энергопотребления и энергетической безопасности?

Основные свойства

Начнем с того, что известная фраза по поводу запаха газа в квартире или на улице не совсем правильна. У который подается нам в квартиры для приготовления пищи или для подогрева воды, нет ни вкуса, ни запаха. То, что мы ощущаем, есть не что иное, как специальная добавка, необходимая для определения утечек газа. Это так называемый одорант, добавляют его на специально оборудованных станциях в следующих пропорциях: 16 мг на одну тысячу кубометров газа.

Основным компонентом природного газа, безусловно, является метан. Его содержание в газовой смеси составляет порядка 89-95%, остальные компоненты - это бутан, пропан, сероводород и так называемые примеси - пыль и негорючие компоненты, кислород и азот. Процент содержания метана зависит от типа месторождения.

Энергия природного газа, выделяемая при сгорании одного кубометра топлива, называется теплотой сгорания. Данная величина является одной из начальных во всех вопросах проектирования газовых объектов, и в разных странах за основу берутся различные значения. В России расчет ведется по низшей теплоте сгорания, в странах Запада, таких как Франция и Великобритания, - по высшей.

Говоря о взрывоопасности природного газа, стоит упомянуть о таких понятиях, как пределы взрываемости и опасная концентрация. Газ взрывается при концентрации его в помещении от 5 до 15 % от объема. Если концентрация ниже, газ не горит, если концентрация более 15%, то газовоздушная смесь горит при дополнительной подаче воздуха. Опасной концентрацией принято называть 1/5 от нижнего предела взрываемости, то есть 1%.

Основы виды и применение природного газа

Бутан и пропан нашли свое применение как топливо для автомобилей (сжиженный газ). Также пропан используется для заправки зажигалок. Этан в качестве топлива применяется крайне редко, поскольку является сырьем для производства полиэтилена. Ацетилен крайне горюч и используется при сварке и резке металлов. Применение природного газа, а если быть точнее - метана, нами уже обговаривалось, он используется как горючее топливо в плитах, колонках и котлах.

Разновидности добываемого природного газа

По типам добываемого газа месторождения делятся на газовые или попутные. Основное различие между ними заключается в проценте содержания углеводородов. В газовых месторождениях содержание метана составляет около 80-90%, в попутных, или, как их принято еще называть, «нефтяных», содержание его не более 50%. Остальные 50% - и отделившаяся от газа нефть. Одним из самых больших минусов газа из попутного месторождения является обязательная его очистка от различных примесей. Получение природного газа бывает также связано с добычей гелия. Подобные месторождения встречаются достаточно редко, гелий считается оптимальным газом для охлаждения ядерных реакторов. Сера, выделяемая из сероводородов, добытых как примесь природного газа, также используется в промышленных целях.

Основным инструментом при добыче природного газа является буровая установка. Это четырехногая вышка высотой около 20-30 метров. К ней подвешивается труба с буром на конце. Труба эта увеличивается по мере увеличения глубины скважины, в процессе бурения в скважину добавляется специальная жидкость, чтобы разрушаемые породы ее не забили.

Осуществляется подача данной жидкости с помощью специальных насосов. Разумеется, стоимость природного газа включает в себя затраты на эксплуатацию и сооружение газодобывающих скважин. От 40 до 60% себестоимости составляют затраты именно на это.

Как к нам приходит газ?

Итак, покинув место добычи, очищенный природный газ поступает на первую компрессорную станцию, или, как ее еще называют, головную. Расположена она чаще всего в непосредственной близости от месторождения. Там с помощью установок газ с высоким давлением поступает в магистральные газопроводы. Для поддержания заданного давления на магистральных газопроводах устанавливаются станции. Поскольку прокладка труб с данной категорией давления внутри городов запрещена, перед каждым крупным городом устанавливается ответвление. Оно уже, в свою очередь, не повышает, а понижает давление. Часть его расходуется крупными потребителями газа - промышленными предприятиями, заводами, котельными. А другая часть поступает в так называемые ГРП - Там давление еще раз понижается. Где применение природного газа нам с вами наиболее знакомо и понятно? Это конфорки плит.

Как давно он с нами?

Активное применение природного газа берет свое начало в середине 19 века, после изобретения газовой горелки. Причем изначальное использование его сейчас для нас не совсем привычно. Сначала применялся он для освещения улиц.

В Советском Союзе до конца 30-х годов прошлого века самостоятельной газовой отрасли не существовало. Месторождения газа открывались случайно, лишь при разведке нефтяных скважин. Активное использование природного газа началось с времен Великой Отечественной войны. Нехватка топлива, в связи с потерей части угольных и нефтяных месторождений, дала мощный толчок развитию газовой отрасли. Уже после окончания войны газовая отрасль активно развивалась и постепенно стала одной из самых энергоэффективных.

Альтернативы нет

Пожалуй, лучшим доказательством преимущества природного газа как наиболее удобного источника энергии являются показатели Москвы. Подключение газа позволило ежедневно экономить один миллион кубов дров, 0,65 миллионов тонн угля, 150 тысяч тонн керосина и почти столько же И все это было заменено 1 млн. куб. м газа. Далее последовала постепенная газификация всей страны и поиск новых месторождений. Позже были найдены огромные запаса газа в Сибири, которые и эксплуатируются по сей день.

Промышленное использование

Использование природного газа не ограничивается только приготовлением пищи - хоть и опосредовано, он применяется для подачи тепла в жилые дома. Большинство крупных городских котельных в Европейской части России используют в качестве основного топлива именно природный газ.

Также все чаще природный газ используют в химической промышленности как сырье для получения различных органических веществ. Все большее количество автомобильных гигантов разрабатывают автомобили на альтернативных видах топлива, в том числе водороде и природном газе.

Только газ тому виной

С точки зрения экологии природный газ можно назвать одним из самых безопасных видов органического топлива. Однако подключение газа во многие сферы жизни человека и последующее сжигание привело к многократному увеличению содержания в атмосфере. Иначе этот процесс носит название "парниковый эффект". И это крайне негативно сказывается на климате нашей планеты. Однако новые технологии и уровень производства в последнее время максимально снижают уровень выбросов в атмосферу. Напомним, газ - один из наиболее безопасных видов топлива.

Состоянии в виде естественных газогидратов .

Химический состав

Основную часть природного газа составляет метан (CH 4) - от 70 до 98 %. В состав природного газа могут входить более тяжёлые углеводороды - гомологи метана :

• этан (C 2 H 6),
• пропан (C 3 H 8),
• бутан (C 4 H 10).

Природный газ содержит также другие вещества, не являющиеся углеводородами:

• гелий (He) и другие инертные газы .

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа в него в небольшом количестве добавляют одоранты - вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц). Чаще всего в качестве одоранта применяется тиолы (меркаптаны), например, этилмеркаптан (16 г на 1000 м³ природного газа).

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано иное):

Месторождения природного газа

В осадочной оболочке земной коры сосредоточены огромные залежи природного газа. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти, они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке при бо́льших температурах и давлениях, чем нефть. С этим согласуется тот факт, что месторождения газа часто расположены глубже, чем месторождения нефти .

Огромными запасами природного газа обладают Россия (Уренгойское месторождение), Иран , большинство стран Персидского залива, США , Канада . Из европейских стран стоит отметить Норвегию , Нидерланды . Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеют Туркмения , Азербайджан , Узбекистан , а также Казахстан (Карачаганакское месторождение).

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе . Метан - третий по распространённости газ во Вселенной, после водорода и гелия. В виде метанового льда он участвует в строении многих удалённых 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. Значительное количество углеводородов присутствует в мантии Земли , однако они тоже не представляют интереса.

Газогидраты

В науке долгое время считалось, что скопления углеводородов с молекулярным весом более 60 пребывают в земной коре в жидком состоянии, а более лёгкие - в газообразном. Однако во второй половине XX века группа сотрудников А. А. Трофимук, Н. В. Черский, Ф. А. Требин, Ю. Ф. Макогон, В. Г. Васильев обнаружили свойство природного газа в определённых термодинамических условиях переходить в земной коре в твёрдое состояние и образовывать газогидратные залежи . Позже выяснилось, что запасы природного газа в этом состоянии огромны.

Газ переходит в твёрдое состояние в земной коре, соединяясь с пластовой водой при гидростатических давлениях до 250 атм и сравнительно низких температурах (до +22 °C ). Газогидратные залежи обладают несравненно более высокой концентрацией газа в единице объёма пористой среды, чем в обычных газовых месторождениях, так как один объём воды при переходе её в гидратное состояние связывает до 220 объёмов газа. Зоны размещения газогидратных залежей сосредоточены главным образом в районах распространения многолетнемёрзлых пород , а также на небольшой глубине под океаническим дном .

Запасы природного газа

Добыча и транспортировка

Добыча

Применение

Природный газ широко применяется в качестве горючего в жилых, частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи; как