Компримированный природный газ (КПГ)

Газообразные углеводороды, добываемые из газовых и газоконденсатных месторождений принято называть собственно природным газом. Природный газ является в настоящее время одним из основных бытовых и экологически чистых промышленных топлив. Он используется также в качестве сырья для производства водорода, технического углерода (сажи), этана, этилена, ацетилена.

Природный газ состоит главным образом из алканов, представлен­ных, прежде всего, нормальными углеводородами с числом атомов угле­рода от 1 до 4-х (С_ГС₄) и изобутаном.

Основным компонентом сухого природного газа является метан (93-98 %), в котором соотношение Н:С составляет 33%. Остальные углеводородные компоненты содержатся в меньших ко­личествах. Газообразные алканы в природном газе имеют температуры ки­пения при нормальном давлении от-162 С до 0 С.

Если в XX веке основное внимание в мире уделялось изучению, раз­ведке, освоению месторождений природного газа, представляющих собой обычные (традиционные) газосодержащие скопления углеводородов, то в XXI веке экономическая конъюнктура уже требует обратиться к значи­тельным потенциальным ресурсам природного газа, заключенным в нетрадиционных источниках, прежде всего к природным газовым гидратам (ГТ). ГГ являются весьма существенным и до сих пор мало разрабатывае­мым источником природного газа на Земле. Они могут составить реальную конкуренцию традиционным месторождениям в силу огромных ресурсов, широкого распространения, неглубокого залегания и концентрированного состояния газа (один кубометр природного метан-гидрата в твердом со­стоянии содержит около 164 м метана в газовой фазе и 0,87 м воды).

Со времени обнаружения первых залежей природных газовых гидра­тов прошло немного лет. Приоритет в открытии их принадлежит россий­ским ученым. В марте 2000 г. российско-бельгийская экспедиция обнаружила уни­кальное месторождение газовых гидратов в пресноводных придонных от­ложениях озера Байкал, на глубине нескольких сотен метров от поверхно­сти воды. Впервые со дна озера удалось достать крупные кристаллы газогидратов, размером до 7 см.

Исследованиями, проведенными в разных регионах мира, установле­но, что около 98% ресурсов ГТ находится в акваториях мирового океана (у побережий Северной, Центральной и Южной Америки, Японии, Норвегии и Африки, а также в Каспийском и Черном морях) на глубинах воды более 200-700 м, и только 2% - в приполярных частях материков. По средневзвешенным оценкам ресурсы газогидратных залежей составляют около 21000 трлн м³. При современном уровне потребления энергии, даже при использовании только 10% ресурсов газогидратов, мир будет обеспечен высококачественным сырьем для экологически чистой выработки энергии на 200 лег.

По мнению Мирового совета по энергии, до 2020 г. природный газ представляется как самое технологически подготовленное топливо для двигателей внутреннего сгорания и с точки зрения подготовки автомобиля, требующее минимальных затрат на переоборудование автомобиля с жид­кого топлива на газообразное, и с точки зрения запасов природного газа.

И газовые, и бензиновые автомобили выбрасывают в атмосферу примерно одинаковое количество углеводородов, В то же время для здоро­вья человека опасны не сами углеводороды, а продукты их окисления. Двигатель, работающий на бензине, выбрасывает массу различных угле­водородов, а газовый двигатель — метан, который из всех предельных уг­леводородов наиболее устойчив к окислению. Поэтому углеводородный выброс газового автомобиля менее опасен.

По запасам природного газа (в основном метана) и его добыче Рос­сия находится на первом месте в мире.

Доля природного газа в топливно-энергетическом ба­лансе мира весьма скромная - 23%. И темпы роста га­зовой промышленности в большинстве стран мира также невысокие. Ис­ключение представляют такие страны, как Россия, Нидерланды, Норвегия и ряд других, в которых, можно считать, что на смену "эпохе нефти" при­шла "эпоха природного газа" или "эпоха метана".

При использовании газа в карбюраторных двигателях 1 м³ его для грузовых автомобилей, в среднем, заменяет 1 л, а для легковых автомоби­лей—1,2 л бензина.

Применение КПГ на автомобильном транспорте может обеспечить создание автомобилей мощностью на 30-40% выше, чем современные ав­томобили, работающие на бензине, с эффективным КПД до 38-40% при одновременном увеличении срока службы двигателя в 1,5 раза и сроков смены масла в два раза.

Главный недостаток природного газа как моторного топлива заклю­чается прежде всего в меньшей (в 1000 раз) объемной его энергоплотности по сравнению с жидкими нефтяными топливами - 0,034 МДж/л для при­родного газа, 31,3 и 35,6 МДж/л для бензина и дизельного топлива.

Природный газ сам по себе очень громоздкое топливо,поскольку его плотность в шестьсот раз ниже плотности бензина. Для хранения его в компримированном состоянии приходится использовать специальные достаточно тяжелые баллоны. Массивные газовые баллоны, устанавливае­мые на автомобиле увеличивают его массу и снижают грузоподъем­ность. Сжатый газ хранится в основном в металлических баллонах. оптимальная высокая степень сжатия двигателей газовых ав­томобилей не устанавливается из-за необходимости сохранять возмож­ность быстрого перехода на бензин, что приводит к снижению мощности двигателя (до 20%), вследствие которого на 5-6 % уменьшается макси­мальная скорость, затрудняется пуск двигателя в холодное время года (ниже 0 °С), что объ­ясняется более высокой температурой воспламенения и самовоспламене­ния природного, поэтому в схеме питания предусмотрены подогреватели газового топлива; при отсутствии подогрева возможен пуск двигателя на нефтяном топливе с последующим переводом на газовое по­сле прогрева двигателя; усложняется конструкция топливной системы, увеличивается ее масса и на 3-10% увеличивается объем и стоимость тех­нического обслуживания и ремонта;

По правилам техники безопасности газ необходимо сработать, перед тем как ставить автомобиль на стоянку и тем более в гараж. А в начале ра­бочего дня необходимо на жидком топливе ехать заправляться на специа­лизированную газозаправочную станцию, что очень неудобно.

Каталитические нейтрализаторы отработавших га­зов автомобиля, предназначенные для бензина, неэффективны для сниже­ния содержания окислouов азота и метана при работе на природном газе. Не­обходимо усовершенствование двигателей и каталитических нейтрализа­торов. С точки зрения охраны окружающей среды газовый двигатель с ре­гулируемым трехступенчатым каталитическим нейтрализатором мог бы быть наиболее перспективным решением для достижения сокращения эмиссии всех загрязняющих веществ более чем на 90%.

Использование природного газа в дизельных двигателях затрудня­ется из-за его сравнительно высокой температуры самовоспламенения и соответственно низкого цетанового числа. Чтобы преодолеть это затруд­нение, используют так называемую двухтопливную систему - небольшое количество дизельного топлива впрыскивается в камеру сгорания в качест­ве запального заряда, а затем подается сжатый природный газ. Иногда приходится устанавливать систему искрового зажигания. Дизельные дви­гатели, работающие на природном газе, широко применяют в самой газо­вой промышленности в поршневых газоперекачивающих агрегатах и мо-торо-генераторах с искровым и форкамерно-факельным зажиганием.

Надо заметить, что газообразное топливо - единственный вид аль­тернативного топлива, для которого в России в основном решены техниче­ские и экологические проблемы использования, хотя определенные слож­ности вызывает ломка психологии потребителя, с предубеждением отно­сящегося к непривычному топливу.

Использование КПГ в авиации позволяет кардинально изменить экологические характеристики выхлоп­ных газов, ликвидировать дефицит на многие десятилетия в авиационных тбпливах и существенно снизить затраты на топливо.

Анализ перспектив использования природного газа на судах показал, что этот вид энергоносителя может быть рекомендован к применению только на судах служебно-вспомогательного флота.

1.1.2 Метансодержащие газы угольных пластов и подземной гид­росферы

Практическое применение нашел шахтный метан, добываемый из угольных пород. В последнее время его вполне определенно относят к числу альтернативных видов автомобильных топлив. Его количество сопоставимо с ресурсами ка­менного угля (104 млрд т).

Хотя в мире добывают немного шахтного метана, но он уже получил применение. К 1990 году в США, Италии, Германии и Великобритании на шахтном метане работали свыше 90 тыс. автомобилей. В Великобритании, например, он широко используется в качестве моторного топлива для рей­совых автобусов в угольных регионах страны. Содержание метана в шахт­ном газе колеблется от 1 до 98%. Как моторное топливо наибольший инте­рес представляет собой газ, извлекаемый из угольных пластов, вне зон влияния горных работ, по технологиям углегазового промысла. Сущность такого промысла заключается в извлечении газа скважинами, пробурен­ными с поверхности, с применением методов стимулирования газоотдачи, при этом шахтный газ имеет в своем составе 95-98% метана, 3-5% азота и 1-3% диоксида углерода.

В России шахтный метан как вид энергетиче­ского топлива и химического сырья, привлекает внимание с позиций по­тенциальных запасов, которые определены к настоящему времени.

Следует отметить, что содержание горючих газов в угольных пла­стах зависит от глубины отработки запасов и возрастает по мере ее увели­чения. Это приводит к росту интенсивности и объемов выделения газов в горные выработки.

В настоящее время в России шахтный метан, со­держащийся в угольных пластах и окружающих их породах, извлекается на поверхность вакуумнасосными станциями через специально пробурен­ные скважины, а из шахтного пространства выбрасывается в атмосферу через вентиляционную систему.

Во всех случаях использование метановоздушной смеси в качестве энергетического топлива определяется ее составом, т.е. соотношением в ней метана как такового и воздуха. Процентное соотношение этих компо­нентов предопределяет энергетическую ценность метановоздушной смеси и возможность ее использования, особенно в части взрывоопасности при сжигании.

Практика подтвердила, что метановоздушная смесь с содержанием метана в пределах от 2,5 до 30% по существующей классификации отно­сится к некондиционной и является взрывоопасной при сжигании, а смеси, содержащие чистого метана менее 2,5 и свыше 30%, являются безопасны­ми при сжигании в энергетических установках. Обе смеси безусловно яв­ляются потенциальными источниками энергетического топлива.

Техническое использование некондиционной метановоздушной сме­си заключается в доведении содержания чистого метана до кондиционных уровней (свыше 30% и менее 2,5%). Это может быть осуществлено, во-первых, за счет улучшения систем дегазации, позволяю­щих поддерживать содержание метана в смеси свыше 30%. Но реализация этого пути, судя по доле некондиционного шахтного метана в общей структуре выхода метана, имеет определенные трудности. Второй путь -повышение концентрации метана за счет добавления в смесь природного газа. Третье направление - снижение концентрации метана до нижнего предела взрывоопасности за счет разбавления смеси воздухом -является наиболее простым для практического осуществления.

В настоящее время в России наилучшие успехи в дегазации и ис­пользовании шахтного метана достигнуты в Воркутинском бассейне, где он применяется в котельных, огненных калориферах и сушилках. Современные технологии позволяют эффективно из­влекать метан при неглубоком залегании угольных пластов большой мощ­ности и высокой газонасыщенности, там, где возможно применение мето­дов интенсификации притоков газа к забою. Только немногие углегазонос-ные регионы мира отвечают этим условиям, поэтому, несмотря на высокие ресурсы метана угольных пластов, реальная добыча газа в ближайшие го­ды вряд ли превысит 5-10% общей газодобычи.

Водорастворенные а диспергированные газы подземной гидро­сферы (до глубин 4500 м) распространены почти повсеместно в земной коре. Общие ресурсы газа в подземных водах до глубин 4500 м, по оцен­кам ВНИГРИ, достигают 10000 трлн м\ а до глубин, в среднем, не превы­шающих 10 км,

Подземная гидро­сфера Земли в силу высокой растворимости в ней углеводородных и дру­гих газовых компонентов в геологическом времени пребывает в состоянии перманентного, местами прогрессирующего газонасыщения преимущест­венно углеводородами, следствием которого неизбежно является образо­вание зон предельного газонасыщения. Изучение таких зон, достоверно Установленных в настоящее время в пределах молодых платформ, а также существовавших на древних этапах развития ряда регионов, позволяет раскрыть характер геохимических связей между залежами углеводородов и газонасыщенными подземными водами.

тогом научных изысканий в области нефтегазовой гидрогеологии является установление общей закономерности, согласно которой промышленные залежи газа, а возможно и нефти, ' являются следствием глобального процесса газонасыщения подземной гидросферы.

Приведенная схемагическсая модель достаточно близко соответствует природным условиям следующих конкретных газоносных провинций и га­зоносных районов.

Биогаз

О газообразных топливах из местных ресурсов раньше в России ни­кто серьезно не задумывался. Страна, обладающая крупными запасами нефти и газа, могла себе это позволить. В странах же, не имеющих естест­венных природных богатств, уже с середины 1980-х были поставлены на учет и запущены в производство все потенциальные местные источники альтернативных моторных топлив. К числу их относятся прежде всего раз­личные виды биомасс растительного и животного происхождения.

Биогаз - это смесь метана и углекислого газа, образующаяся при ме­тановом сбраживании различных биомасс. Метановое брожение - резуль­тат природного биоценоза анаэробных бактерий - протекает при темпе­ратурах от 10 до 55 °С в трех диапазонах: 10...25 °С - психрофильное; 25.40 °С - мезофильное; 52...55 °С - термофильное. Влажность системы составляет от 8 до 99 %, оптимальное значение - 92 - 93 %. Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять 50-90 %.

Биогаз, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств, представляет серьезный практический интерес для России. В нашей стране ежегодно накапливается до 300 млн. т (по сухому веществу) органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйст­венном производстве, 50 млн т в виде ТБО. Эти отходы являются прекрас­ным сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно получаемого биогаза может составить 90 млрд м³, то есть 40 млн т нефтя­ного эквивалента на сумму 20 млрд евро. Общая потенциальная стоимость вырабатываемого объема биотоилив (сингаз и биогаз) может составить 35 млрд евро в год.

Сбраживание отходов лучше всего проводить в метантенках - метал­лических или железобетонных резервуарах с подогревом и перемешивани­ем.

Для производства биогаза из твердых бытовых отходов (ТБО) их сначала измельчают, а затем в метантенке перемешивают с канализацион­ным осадком из отстойников очистных сооружений. В своем составе газы имеют до 50 % метана, 25 % двуокиси углерода, до 2 % водорода и азота. Эта технология достаточно широко ис­пользуется за рубежом - в США, Германии, Японии, Швеции.

Биогаз является одним из наиболее перспективных видов моторных топлив, производимых из местного сырья, с точки зрения промышленного производства и применения в двигателях транспортных средств. За корот­кий срок во многих странах мира была создана целая индустрия по произ­водству биогаза.

Значительная часть производимого биогаза идет на получение электроэнергии.

Среди промышленно развитых стран ведущее место -в произ­водстве и использовании биогаза принадлежит Дании

Как показывает практика, выход кана­лизационных газов со станции переработки, питаемой канализационной сетью, обслуживающей населенный пункт с численностью жителей 100 тыс. человек, достигает в сутки более 2500 м³, что эквивалентно 2000 л" бензина.

К производству биогаза относится также получение лендфиллгаза, или биогаза из мусора со свалок. В настоящее время во многих странах создаются специальные обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов с целью извлечения из них биогаза для производства электриче­ской и тепловой энергии. Значительные объемы сырья для брожения имеются в сельском хо­зяйстве.

Биогазовые технологии эффективны в любом климатическом регио­не огромной России. Таким способом уже производятся газообразное топ­ливо и высокоэффективные органические удобрения, так необходимые со­временному российскому сельскому хозяйству

Однако создание двигателей автотранспортных средств, работающих на газе с низкой теплотой сгорания, как у биогаза, представляет опреде­ленные трудности. Поэтому целесообразнее использовать не биогаз, а по­лучаемый из него биометан. Для этого из биогаза удаляют С0₂ и другие примеси. Получаемый газ (биометан), содержит 90-97 % CH4 и имеет теп­лоту сгорания 35-40 МДж/м³. Очистка биогаза от двуокиси углерода может производиться различными способами. Наиболее распространенные: про­мывка газов жидкими поглотителями (например, водой), вымораживание, адсорбция при низких температурах.

Биометан, как и другие газовые топлива, имеет низкую объемную концентрацию энергии.

 

Сжиженные газы