Газ и его применение. История использования природного газа

Природный газ, основную часть которого составляет метан (92-98%), на сегодняшний день является самым перспективным альтернативным топливом для автомобилей. Природный газ может быть использован в виде топлива как в сжатом (компримированном), так и в сжиженном виде.

Метан - простейший углеводород, бесцветный газ (в нормальных условиях) без запаха, химическая формула — CH4. Малорастворим в воде, легче воздуха. При использовании в быту, промышленности в метан обычно добавляют одоранты (обычно тиолы) со специфическим «запахом газа». Метан нетоксичен и неопасен для здоровья человека.

Добыча и транспортировка

Газ находится в недрах Земли на глубине от одного до нескольких километров. Перед началом добычи газа необходимо провести геологоразведочные работы, которые позволяют установить местонахождение залежей. Добывается газ с помощью скважин, специально для этого пробуренных одним из возможных способов. Транспортируют газ чаще всего по газопроводам. Общая протяженность газораспределительных газопроводов в России составляет более 632 тысячи километров - это расстояние почти в 20 раз больше окружности Земли. Длина магистральных газопроводов на территории России - 162 тысячи километров.

Использование природного газа

Область применения природного газа достаточно широка: его используют для отопления помещений, приготовления пищи, подогрева воды, производства красок, клея, уксусной кислоты и удобрений. Помимо этого природный газ в сжатом или сжиженном виде может использоваться в качестве моторного топлива на автотранспорте, специальной и сельскохозяйственной технике, железнодорожном и водном транспорте.

Природный газ - экологичное моторное топливо

90% загрязнения атмосферы приходится на долю транспортных средств.

Перевод транспорта на экологически чистое моторное топливо - природный газ - позволяет сократить выбросы в атмосферу сажи, высокотоксичных ароматических углеводородов, окиси углерода, непредельных углеводородов и окислов азота.

При сжигании 1000 л жидкого нефтяного моторного топлива в воздух вместе с отработавшими газами выбрасывается 180-300 кг оксида углерода, 20-40 кг углеводородов, 25-45 кг окислов азота. При использовании природного газа вместо нефтяного топлива выброс токсичных веществ в окружающую среду снижается приблизительно в 2-3 раза по оксиду углерода, по окислам азота - в 2 раза, по углеводородам - в 3 раза, по задымленности - в 9 раз, а образование сажи, свойственное дизельным двигателям, отсутствует.

Природный газ - экономичное моторное топливо

Природный газ - самое экономичное моторное топливо. Для его переработки требуются минимальные затраты. По сути, все что нужно сделать с газом перед заправкой автомобиль - это сжать в компрессоре. Сегодня средняя розничная цена 1 куб.м метана (который по своим энергетическим свойситвам равен 1 литру бензина) - 13 рублей. Это в 2-3 раза дешевле бензина или дизельного топлива.

Природный газ - безопасное моторное топливо

Концентрационные* и температурные** пределы воспламенения природного газа значительно выше, чем у бензина и дизельного топлива. Метан в два раза легче воздуха и при утечке быстро растворяется в атмосфере.

Согласно «Классификации горючих веществ по степени чувствительности» МЧС России,компримированный природный газ отнесен к самому безопасному, четвертому классу, а пропан-бутан - ко второму.

* Образование взрывоопасной концентрации происходит при содержании паров газа в воздухе от 5 % до 15 %. В открытом пространстве образование взрывоопасной смеси не происходит.
** Нижний предел самовоспламенения метана - 650°C.

Природный газ - технологичное моторное топливо

Природный газ не образует отложений в топливной системе, не смывает масляную пленку со стенок цилиндров, тем самым снижая трение и уменьшая
износ двигателя.

При сгорании природного газа не образуется твердых частиц и золы, вызывающих повышенный износ цилиндров и поршней двигателя

Таким образом использование природного газа в качестве моторного топлива позволяет увеличить срок службы двигателя в 1,5-2 раза.

В таблице ниже приведено несколько фактов о КПГ и СПГ:

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

Газ – наиболее экологически чистый вид топлива. Его отличают полнота сгорания без дыма и копоти; отсутствие золы после сгорания; легкость розжига и регулирования процесса горения; высокий коэффициент полезного действия топливоиспользующих установок; экономичность и простота транспортировки к потребителю; возможность хранения в сжатом и сжиженном состоянии; отсутствие вредных веществ.

Немалую роль играет и низкая стоимость добычи газа по сравнению со стоимостью добычи других видов топлива – угля, торфа, нефти. Если принять стоимость угля (в пересчете на 1 т условного топлива) за 100%, то стоимость газа составит только 10 %.

Благодаря высоким потребительским свойствам, низким издержкам добычи и транспортировки, широкой гамме применения во многих сферах человеческой деятельности, природный газ занимает особое место в топливно-энергетической и сырьевой базе. В этой связи наращивание его запасов и потребления идет высокими темпами.

Газовая промышленность – наиболее молодая отрасль топливного комплекса. Газ применяется в народном хозяйстве в качестве топлива в промышленности и в быту, а также и как сырье для химической промышленности. В народном хозяйстве используется природный газ, добываемый из газовых месторождений, газ, добываемый попутно с нефтью, и искусственный газ, извлекаемый при газификации сланцев из угля. Кроме того, используется газ, получаемый при производственных процессах в некоторых отраслях металлургической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Газ в больших количествах используется в качестве топлива в металлургической, стекольной, цементной, керамической, легкой и пищевой промышленности, полностью или частично заменяя такие виды топлива, как уголь, кокс, мазут, или является сырьем в химической промышленности.

Крупнейшим потребителем газа в промышленности является черная металлургия. В доменных печах частичное применение природного газа дает экономию дефицитного кокса до 15% (1 куб. м природного газа заменяет 0,9 – 1,3 кг кокса), повышает производительность печи, улучшает качество чугуна, снижает его стоимость. В вагранках применение газа снижает расход кокса вдвое.

Способ прямого восстановления железа из руд также основан на использовании газового топлива.

В металлургии и машиностроении природный газ используется также для отопления прокатных, кузнечных, термических и плавильных печей и сушил. В металлообработке использование газа повысило коэффициент полезного действия печей почти в 2 раза, а время нагрева деталей сократилось на 40%. Применение газа в металлургии, кроме того, удлиняет сроки службы футеровки. Снижается количество серы в чугуне.

Применение природного газа в стекольной промышленности взамен генераторного газа повышает производительность стекловаренных печей на 10 – 13% при одновременном снижении удельного расхода топлива на 20 – 30%. Себестоимость цемента снижается на 20 – 25%. В кирпичном производстве цикл сокращается на 20%, а производительность труда возрастает на 40%.

При внедрении природного газа в стекловарении требуются специальные меры по доведению светимости газа (то есть по повышению теплоотдачи от факела к стекломассе) до уровня светимости факела на жидком топливе, то есть в 2 – 3 раза, что достигается путем сажеобразования в газовой среде.

В пищевой промышленности газ применяется для сушки пищевых продуктов, овощей, фруктов, выпечки хлебобулочных и кондитерских изделий.

При использовании газа на электростанциях уменьшаются эксплуатационные расходы, связанные с хранением, приготовлением и потерями топлива и эксплуатацией системы золоудаления, увеличивается межремонтный пробег котлов, не занимаются земли для золоотвалов, снижается расход электроэнергии на собственные нужды, уменьшается количество эксплуатационного персонала, снижаются капитальные затраты.

Итак, продукция рассматриваемой отрасли обеспечивает промышленность (около 45% общего народнохозяйственного потребления), тепловую электроэнергетику (35%), коммунальное бытовое хозяйства (более 10%). Газ – самое экологически чистое топливо и ценное сырье для производства химической продукции.

Глава 2. Место России в мировых запасах природного газа

Россия занимает 1 место в мире по запасам газа; 2 место по объемам ежегодной добычи; 2 место по потреблению газа и обеспечивает 21% мировой торговли данным видом топлива. Порядка 75% газа используется на внутреннем рынке, газ обеспечивает выработку 50% электроэнергии в стране. Благодаря наличию уникальной газотранспортной системы Россия играет важную роль в обеспечении транзита центрально азиатского газа в Европу и страны СНГ .

Газовая промышленность России представляет собой совокупность предприятий, осуществляющих геологоразведочные работы на суше и шельфе, бурение эксплуатационных скважин, добычу и переработку природного газа, газового конденсата и нефти, транспорт и распределение, подземное хранение и т.д. В газовой отрасли происходит следующая цепочка операций: геологоразведочные работы > добыча > хранение > переработка > транспортировка > распределение . Субъектный состав рынка газа включает производителей газа, газораспределительные организации, газосбытовые компании и потребителей газа. Структура газового комплекса России показана на рисунке 1.

Текущее состояние сырьевой базы природного газа России характеризуется высокой выработанностью базовых месторождений. Имеется тенденция увеличения доли сложных и трудноизвлекаемых запасов. Проблемы их освоения связаны со сложными природно-климатическими условиями, удаленностью будущих крупных центров добычи газа от сложившихся центров развития газовой промышленности. Отсутствие государственной программы воспроизводства и рационального использования минерально-сырьевой базы оказывает негативное влияние на эффективность геологоразведочных работ. Лидирующее положение в производстве газа занимает ОАО «Газпром». Общество располагает самыми богатыми в мире запасами природного газа.

Рис. 1 – Структура газового комплекса России

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Природный газ – это смесь газов (органической и неорганической природы), образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ. Полезное ископаемое.

Значительная составляющая природного газа – метан (70 — 98%), затем идут этан, пропан и бутан; среди газов неорганической природы в состав природного газа могут входить моно- и диоксид углерода, азот, инертные газы, водород, сероводород. Химический состав природного газа (объемное содержание каждого из газов) может меняться в зависимости от месторождения.

Химические свойства природного газа

Поскольку природный газ представляет собой смесь газов, то невозможно указать, какие химические свойства для него характерны, т.к. для каждого вещества, входящего в его состав характерны свои, особые химические свойства. Однако, можно сказать, что для природного газа характерно горение, причем из всех веществ, входящих в состав природного газа на воздухе сгорают только углеводороды (метан, этан и т.д.) и монооксид углерода. Продукты реакции горения природного газа:

CH 4 + 2O 2 = CO 2 +2H 2 O;

2C 2 H 6 + 7O 2 = 4CO 2 + 6H 2 O;

2C 3 Н 8 + 10O 2 = 6CO 2 + 8H 2 O;

2CO + O 2 = 2CO 2 .

Физические свойства природного газа

Природный газ при нахождении в недра Земли может находится в газообразном состоянии (газовые залежи), в виде газовой «шапки» нефтегазовых месторождений, в растворенном виде в нефти или в воде. Чистый природный газ не обладает запахом и цветом. Температура возгорания природного газа 650С. Природный газ в 1,8 газ легче воздуха.

Получение природного газа

Природный газ добывают из недр Земли с помощью скважин. 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.

Применение природного газа

Основное направление использования природного газа — в качестве горючего для отопления жилых домов, подогрева воды и приготовления пищи; в качестве топливо для машин, котельных, ТЭЦ и др. Также, природный газ используют в химической промышленности (сырьё для получения различных органических веществ).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Природный газ, к которому мы все так привыкли у себя на кухне, является близким родственником нефти. Состоит он по большей части из метана с примесями более тяжелых углеводородов (этана, пропана, бутана). В естественных природных условиях он также часто содержит примеси других газов (гелия, азота, сероводорода, углекислого газа).

Типичный состав природного газа:

Углеводороды :

• Метан – 70-98%
• Этан – 1-10%
• Пропан – до 5%
• Бутан – до 2%
• Пентан – до 1%
• Гексан – до 0,5%

Примеси :

• Азот – до 15%
• Гелий – до 5%
• Углекислый газ – до 1%
• Сероводород – менее 0,1%

Природный газ исключительно широко распространен в недрах земли. Его можно встретить в толще земной коры на глубине от нескольких сантиметров до 8 километров. Также как и нефть, природный газ, в процессе миграции в земной коре, попадает в ловушки (проницаемые пласты ограниченные непроницаемой толщей пород), в результате чего формируются газовые месторождения.

Пять крупнейших газовых месторождений России:

• Уренгойское (газовое)
• Ямбургское (нефтегазоконденсатное)
• Бованенковское (нефтегазоконденсатное)
• Штокмановское (газоконденсатное)
• Ленинградское (газовое)

Природный (углеводородный) газ – частый спутник нефтяных месторождений. Обычно он содержится в нефти в растворенном виде, а в некоторых случаях скапливается в верхней части месторождений, образуя так называемую газовую шапку. В течение длительного времени газ, выделяющийся при добыче нефти, и называемый попутным газом, был нежелательной составляющей процесса добычи. Чаще всего его просто сжигали в факелах.

Только за последние несколько десятков лет человечество научилось достаточно полно использовать все преимущества природного газа. Такая задержка в освоении этого чрезвычайно ценного вида топлива во многом связана с тем, что транспортировка газа и его использование в промышленности и быту требуют достаточно высокого технического и технологического уровня развития. Кроме того, природный газ, смешиваясь с воздухом, образует взрывоопасную смесь, что требует повышенных мер безопасности при его использовании.

Применение газа

Некоторые попытки применения газа предпринимались еще в XIX веке. Светильный газ, как его тогда называли, служил в качестве источника освещения. Разработку газовых месторождений в то время еще не вели, а для освещения использовали газ, добываемый вместе с нефтью. Поэтому такой газ часто называли нефтяным. Таким нефтяным газом, например, долгое время освещалась Казань. Использовали его и для освещения Петербурга и Москвы.

В настоящее время газ играет все более значительную роль в энергетике мира. Спектр его применения очень широк. Он используется в промышленности, в быту, в котельных, ТЭЦ, в качестве моторного топлива для автомашин и как исходное сырье в химической промышленности.

Газ считается относительно чистым видом топлива. При сжигании газа образуется только углекислый газ и вода. При этом выбросы углекислого газа почти в два раза меньше, чем при сжигании угля и в 1,3 раза меньше, чем при сжигании нефти. Не говоря уже о том, что при сжигании нефти и угля остаются еще копоть и зола. Благодаря тому, что из всех ископаемых видов топлива газ является наиболее экологически чистым видом, в энергетике современных мегаполисов он занимает доминирующее положение.

Как добывают газ

Также как и нефть, природный газ добывают при помощи скважин, которые распределяют равномерно по всей площади газового месторождения. Добыча происходит за счет разницы давлений в газоносном пласте и на поверхности. Под действием пластового давления газ выталкивается через скважины на поверхность, где попадет в систему сбора. Далее газ подается на установку комплексной подготовки газа, где его очищают от примесей. Если примесей в добываемом газе незначительное количество, тогда его могут сразу направить на газоперерабатывающий завод, минуя установку комплексной подготовки.

Как транспортируют газ

Транспортировка газа осуществляется преимущественно по трубопроводам. Основные объемы газа транспортируют магистральными газопроводами, где давление газа может достигать 118 атм. Потребителям же газ попадает через распределительные и внутридомовые газопроводы. Сначала газ проходит через газораспределительную станцию, где его давление снижается до 12 атм. Затем по распределительным газопроводам он подается на газорегуляторные пункты, где его давление снова понижают, на этот раз уже до 0,3 атм. После чего по внутридомовым газопроводам газ попадает к нам на кухню.

Вся эта огромная газораспределительная инфраструктура представляет собой поистине масштабную картину. Сотни и сотни тысяч километров газопроводов, опутавших собой практически всю территорию России. Если всю эту паутину газопроводов вытянуть в одну линию, то ее длины хватит, чтобы достать от Земли до Луны и обратно. И это только газотранспортная система России. Если же говорить о всей мировой газотранспортной инфраструктуре, то речь будет идти уже о миллионах километров трубопроводов.

Поскольку природный газ не обладает ни запахом, ни цветом, то для того, чтобы можно было оперативно обнаружить утечки газа, ему искусственно придается неприятный запах. Этот процесс называется одоризацией и происходит на газораспределительных станциях. В качестве одорантов, то есть неприятно пахнущих веществ, обычно используют серосодержащие соединения, например этантиол (EtSH).

Потребление газа носит сезонный характер. Зимой его потребление увеличивается, а летом снижается. Чтобы сгладить сезонные колебания в потреблении газа, вблизи крупных промышленных центров создают подземные хранилища газа (ПХГ). Это могут быть истощившиеся газовые месторождения, приспособленные под хранение газа или искусственно созданные подземные соляные пещеры. Летом излишки транспортируемого газа направляют в ПХГ, а зимой наоборот, возможный недостаток мощностей трубопроводной системы компенсируют отбором газа из хранилищ.

В мировой практике помимо газопроводов природный газ часто транспортируют в сжиженном виде посредством специальных судов – газовозов (метановозов). В сжиженном виде объем природного газа уменьшается в 600 раз, что удобно не только для транспортировки, но и для хранения. Для сжижения газ охлаждают до температуры конденсации (-161,5 °С) в результате чего он превращается в жидкость. В таком охлажденном виде он и транспортируется. Основными производителями сжиженного природного газа являются Катар, Индонезия, Малайзия, Австралия и Нигерия.

Перспективы и тенденции

Благодаря своей экологической чистоте и постоянному совершенствованию техники и технологий, как в добыче, так и в использовании газа, этот вид топлива приобретает все большую популярность. Компания BP, например, прогнозирует опережающий рост спроса на газ по сравнению с другими видами ископаемого топлива.

Рост потребности в газе приводит к поиску новых, часто нетрадиционных, источников газа. Такими источниками могут быть:

• Газ из угольных пластов
• Сланцевый газ
• Газогидраты

♦ Газ из угольных пластов начали добывать только в конце 1980-х годов. Впервые это было сделано в США, где была доказана коммерческая целесообразность такого вида добычи. В России Газпром начал испытывать этот метод с 2003 года, начав пробную добычу метана из угольных пластов в Кузбассе. Добычу газа из угольных пластов осуществляют и в других странах - Австралии, Канаде и Китае.

♦ Сланцевый газ . Сланцевая революция в добыче газа, случившаяся в США в последнее десятилетие, не сходит с первых полос периодической печати. Развитие технологии горизонтального бурения и позволило добывать газ из низкопроницаемых сланцев в объемах окупающих затраты на его извлечение. Феномен бурного развития добычи сланцевого газа в США подстегивает и другие страны к развитию данного направления. Помимо США активные работы по добыче сланцевого газа ведутся в Канаде. Также значительным потенциалом по развитию масштабной добычи сланцевого газа обладает Китай.

♦ Газогидраты . Значительная часть природного газа находится в кристаллическом состоянии в виде так называемых газогидратов (гидратов метана). Крупные запасы газогидратов существуют в океанах и в зонах вечной мерзлоты материков. В настоящее время оцениваемые запасы газа в виде газогидратов превосходят вместе взятые запасы нефти, угля и обычного газа. Разработкой экономически целесообразных технологий по добыче газогидратов усиленно занимаются в Японии, США и некоторых других странах. Особенно этой теме уделяет внимание Япония, лишенная традиционных запасов газа и вынужденная закупать этот вид ресурса по чрезвычайно высоким ценам.

Природный газ в качестве топлива и источника химических элементов имеет большое будущее. В отдаленной перспективе именно его рассматривают в качестве основного вида топлива, который будет использоваться в период перехода мировой энергетики на более чистые возобновляемые ресурсы.