Природный газ и его использование

Доля газа в мировом энергетическом балансе составляет около 23%. Россия – мировой лидер по добыче природного газа. Основные районы добычи газа в РФ: Волго-Уральский, Западно-Сибирская провинция, Тимано-Печорская провинция, запад Северо-Кавказского экономического района, Дальний Восток.

Природный газ представляет собой смесь углеводородов. Различают три основные группы природных газов:

– сухие газы, получаемые из чисто газовых месторождений (состоят до 98% из метана СН₄);

– газы из газоконденсатных месторождений (состоят из сухого газа и примеси конденсата: бензина, лигроина, керосина);

– попутные газы, получаемые из скважин нефтяных месторождений вместе с нефтью (состоят из смеси газов с газовым бензином и пропан-бутановой фракции).

Состав природных газов приведен в табл.3.1, а их применение - на рис. 3.2.

Таблица 3.1

Состав природных газов

Алканы	Состав, %
Природный газ	Попутный нефтяной газ
СН4	I сухой газ	75 –98	40 – 65
С2Н6	0,5 – 4,0	12 – 20
С3Н8	II пропан - бутановая смесь	0,2 – 1,5	12 – 18
С4Н10	0,1 – 1,0	4 – 15
С5Н12 и выше, примеси H2S, N2, CO2, He	III газовый бензин	0 – 1,0	1,5 – 6,5

Рис. 3.2. Применение природных газов

Добыча газа. Как и нефть, газ добывается через скважины, при этом газ под высоким давлением устремляется к поверхности, поэтому фонтан перекрывают стальными задвижками и потом направляют в трубопроводы. После транспортировки газ хранится в газгольдерах в сжатом или сжиженном виде. Иногда в качестве газохранилищ используются пустоты в недрах земли.

Переработка газа. Природный газ перерабатывается в основном в районах его добычи и вдоль газопроводов, попутный газ, составляющий 11–12% от общего объема добычи, – в районах добычи нефти. Попутный газ перерабатывается на газоперерабатывающих заводах (выделяют газовый бензин, этан, пропан и т.д.).

Транспорт газа. Транспортировка осуществляется магистральными газопроводами. Давление газа в магистральном газопроводе поддерживается газокомпрессорными станциями. Для перекачки газа газопроводы снабжаются компрессорами с электрическим или газотурбинным приводом. В конечных пунктах магистрального газопровода сооружаются газораспределительные станции. Максимальный диаметр труб магистрального газопровода 1420 мм. Режим использования газопровода определяет его параметры: диаметр, экономичную степень сжатия, толщину стенки и т.д. Стоимость единицы длины газопровода:

,

где а – числовой коэффициент, зависящий от размерности принятых величин; С_М – стоимость 1 т металла в трубах; D_Т – диаметр трубы; δ_Т – толщина стенки трубы:

, (3.5)

где р – давление газа; σ_Z - допустимое напряжение на разрыв трубы.

С учетом (3.5):

. (3.6)

Из (3.6) следует, что при прочих равных условиях стоимость газопровода возрастает пропорционально давлению и квадрату его диаметра.

Пропускная способность газопровода (количество передаваемого газа в единицу времени) определяется по выражению:

,

где а ^' - числовой коэффициент, зависящий от размерности величин, входящих в это выражение; р₂ и р₁ - абсолютное давление в начале и конце газопровода; Т – абсолютная температура газа; L – длина газопровода; γ – плотность или удельный вес газа, кг/м³ или Н/м³.

Уголь и его использование

Доля угля в мировом энергетическом балансе составляет около 24%. Уголь обеспечивает развитие энергетики в течение долгого времени: добывается более 1000 лет, а в круп­ных масштабах применяется более 250 лет. Коксующиеся угли используются в черной металлургии.

Уголь образовался из осадков органических веществ в пресной воде доисторических болот; обнаруживается в пластах всех геологических эпох. Последовательность возникновения:

Примерное содержание элементов в каменном угле:

= 84% + 5% + 2% + 8% + 1% = 100%.

Высокая теплота сгорания угля определяется высоким содержанием в нем водорода и углерода. Чем старее уголь, тем выше его качество.

Запасы угля, которые могут быть извлечены на данном уровне развития технических средств при приемлемых затратах, оцениваются в 637 млрд. т у.т., их может хватить при современном уровне потребления на 240 лет. Основные запасы угля сосредоточены в России, Китае, США, Германии, Австралии, Индии, ЮАР.

Добыча угля ведется как открытым (карьерами), так и подземным (шахтами и штольнями) способами. Выбор способа добычи угля зависит от расположения угольного пласта относительно земной поверхности (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Способы разработки угольных месторождений

Если пласт выходит на дневную поверхность на склоне горы, то к нему проводится горизонтальный туннель (штольня). В случаях, когда пласт круто падает от места выхода на дневную поверхность, проводят наклонные подземные выработки. Наклонные выработки целесообразны при длине ≤ 800 м. Многие месторождения удобнее вскрывать вертикальной выработкой – шахтным стволом. Шахтный ствол служит дольше, чем разрозненные штольни, однако вентиляция и дренаж, подъем угля обходятся дороже. Разработка открытым способом ведется при глубине залегания угля ≤ 100м. Затраты при открытом способе в 1,5÷3 раза ниже, чем при подземном.

Крупнейшие по добыче бассейны каменного и бурого угля в России: Кузнецкий (Кузбасс); Канско-Ачинский; Печорский; часть Донецкого бассейна в Ростовской области (Донбасс); Южно-Якутский бассейн.

Также уголь добывают из месторождений, простирающихся в море. Подводная добыча угля ведется в Канаде, Чили, Японии и Великобритании.

Транспорт угля. Во всех странах основными видами транспорта угля является железнодорожный, а между континентами – морской. Разрабатываются варианты транспортировки угольной пульпы по трубопроводам. На большие расстояния (свыше 600 км) перевозят, как правило, только высококачественные угли.

Синтетическое топливо

Большие запасы каменного угля позволяют разрабатывать технологии производства синтетической нефти и газа из угля. В Германии, Японии, США и других странах создан ряд технологических процессов для производства синтетического газооб­разного (СГТ) и жидкого топлива (СЖТ). Общий принцип получения синтетического газа показан на рис.3.4.

Рис. 3.4. Стадии газификации угля:

1 – подготовка угля к газификации; 2 – дистилляция без доступа воз­духа;

3 – дистилляция в присутствии воздуха; 4 – дистилляция в присутствии Н₂О и О₂;

5 – конверсия водяного газа (СО + Н₂О = СО₂ + H₂); 6 – очистка газа;

7 – каталитическая метанизация (ЗН₂ + СО = СН₄ + Н₂О); КГ – каменноугольный газ;

ЭГ – энергетический газ; СГТ – синтетическое газообразное топливо

Процессы основаны на том, что уголь подвергается перегонке в присутствии либо воздуха, либо водяного пара и кислорода. При газификации угля на воздушном дутье образуется энергетический газ (ЭГ), обладающий относительно низкой теплотой сгорания, который целесообразно использовать только на электростанциях, расположенных на месте его производства. В процессе с парокислородным дутьем (О₂ + Н₂О) образуется газ более высокого качества, который можно подвергать дальнейшей переработке для получения метана с высокой теплотой сгорания. Этот генераторный газ содержит высокий процент окиси углерода СО и азота N₂, поэтому он подвергается очистке в реакторе. Диоксид углерода СО₂ и примеси серы Н₂S удаляются, а оставшийся газ, состоящий в основном из Н₂, СО, СН₄ и Н₂О, проходит стадию каталитической метанизации, на которой СО и Н₂, вступая в реакцию, образуют метан СН₄. Современные газогенераторы имеют производительность от 8,5 до 48,1 тыс. м³/ч.

Для производства СЖТ применяется принцип ожижения угля по методу Фишера-Тропша (рис.3.5). Сущность метода состоит в том, что после газификации угля осуществляется каталитическая конверсия получаемого продукта. Используя соответствующий катализатор, можно получить из синтетического газа различные виды углеводородных соединений.

Рис. 3.5. Стадии процесса ожижения угля:

1 – газификация угля; 2 – очистка газа; 3 – конверсия водяного газа;

4 – каталитическая конверсия; 5 – перегонка продуктов сжижения;

6 – полимеризация; ЭГ – энергетический газ: ГГ – генераторный газ;

ДТ – дизельное топливо; ТЖТ – тяжелое жидкое топливо