В каких целях используется природный газ. Природный газ — сырье, а не готовое топливо. История использования природного газа

Горение природного газа

Природный газ – это полезное ископаемое в газообразном состоянии. Оно используется в очень широких пределах в качестве топлива . Но сам природный газ как таковой не используется как топливо, из него выделяют его составляющие для отдельного использования. Часто является попутным газом при добыче нефти . Природный газ в пластовых условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газовом состоянии в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений – это свободный газ ; либо в растворённом состоянии в нефти или воде (в пластовых условиях), а в стандартных условиях – только в газовом состоянии. Также природный газ может находиться в виде газогидратов.

Почти на 90% он состоит из углеводородов , главным образом метана (СН 4). Содержит и более тяжёлые углеводороды - этан , пропан , бутан , а так же меркаптаны и сероводород (обычно эти примеси вредны), азот и углекислый газ (они в принципе бесполезны, но и не вредны), пары воды, полезные примеси гелия и других инертных газов.

Химический состав

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

• этан (C 2 H 6),
• пропан (C 3 H 8),
• бутан (C 4 H 10),
• и другие алканы – от С 5 и выше

А также другие неуглеводородные вещества:

• более тщательный анализ, позволил обнаружить в природном газе и небольшие количества гелия (Не).

Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава):

• Плотность :
  • от 0,7 до 1,0 кг/м 3 - сухой газообразный, при н. у.
  • 400 кг/м 3 -жидкий.
• Теплота сгорания одного м 3 природного газа в газообразном состоянии при н.у.: 28-46 МДж, или 6,7-11,0 Мкал.
• Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120-130.
• Концентрационные границы воспламенения (взрыва) природного газа (метана) находятся в диапазоне от 5 до 15 %. Вне этих границ газовоздушная смесь не способна к распространению пламени. При взрыве давление в замкнутом объеме повышается до 0,8... 1 МПа.
• Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку по запаху, в газ добавляют небольшое количество одорантов (чаще всего в качестве одоранта применяется этил-меркаптан), имеющих сильный неприятный запах, это - одоранты .
• Природный газ быстро улетучивается и рассеивается в атмосфере, что важно с точки зрения безопасности.

Запасы природного газа

Карта запасов природного газа в мире

Метан и некоторые другие углеводороды широко распространены в космосе. Метан - третий по распространённости газ 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.

Огромные залежи природного газа сосредоточены в осадочной оболочке земной коры. Согласно теории биогенного (органического) происхождения нефти они образуются в результате разложения останков живых организмов. Считается, что природный газ образуется в осадочной оболочке 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 землёй, так и на незначительном углублении под морским дном.

Добыча и обработка природного газа

Газовые месторождения

Залежь нефти или газа представляет собой скопление углеводородов , которые заполняют поры проницаемых пород. Если скопление велико и его эксплуатации экономически целесообразна, залежь считают промышленной. Залежи, занимающие значительные площади, образуют месторождения.

Осушка газа

Содержание влаги в газе при его транспортировании часто вызывает серьезные эксплуатационные затруднения. При определенных внешних условиях (температуре и давлении) влага может конденсироваться , образовывать ледяные пробки и кристаллогидраты , а в присутствии сероводорода и кислорода вызывать коррозию трубопроводов и оборудования. Во избежание перечисленных затруднений газ осушают, снижая температуру точки росы на 5...7 °С ниже рабочей температуры в газопроводе.

Очистка газа от сероводорода и углекислого газа

В горючих газах используемых для газоснабжения городов, содержание сероводорода не должно превышать 2 г на 100 м 3 газа. Содержание углекислого газа нормы не лимитируют, однако по технико-экономическим соображениям в транспортируемом газе оно не должно превышать 2%.

Одоризация газа

Природный газ не имеет запаха. Поэтому для своевременного выявления утечек газа ему придают запах - газ одорируют. В качестве одоранта применяют этил-меркаптан (С 2 Н 5 SН). По токсичности качественно и количественно он идентичен сероводороду, имеет резкий неприятный запах.

Траспортировка

Основным видом транспорта газа, в настоящее время, является трубопроводный . Газ движется по трубам большого диаметра под давлением 75 атмосфер (7,5 МПа). Продвигаясь по трубопроводу газ, теряет энергию, она тратится на преодоление силы трения как между стенкой трубы и газом, так и между слоями самого газа. Чтобы давление в трубопроводе поддерживалось на заданном уровне, на определённом расстоянии друг от друга необходимо наличие компрессорных станций (КС), которые должны поддерживать давление в трубопроводе на уровне 75 атмосфер. Обслуживание и сооружение трубопровода стоит не малых денег, но, тем не менее, трубопровод является наиболее дешёвым способом транспортировки нефти и газа.

Другим способом транспортировки газа является использование специальных танкеров – газовозов. Это специально оборудованные корабли, для перевозки газа в сжиженном состоянии при определённых условиях. Для транспортировки газа этим способом необходимо кроме самих танкеров провести ряд подготовительных мероприятий для возможности их использования. Нужно протянуть газопровод к берегу моря, построить порт для танкеров, завод для сжижения газа, и сами танкеры. Тем не менее, этот вид транспортировки газа является экономически обоснованным при отдалённости потребителя от мест добычи более 3000 км.

Синтез природного газа

Существуют множество способов получения природного газа из других органических веществ, например отходов сельскохозяйственной деятельности, деревообрабатывающей и пищевой промышленности и т. д.

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

В настоящее время природный газ широко используется в топливно-энергетической и химической промышленности.

Природный газ широко применяется в качестве дешевого горючего в жилых частных и многоквартирных домах для отопления, подогрева воды и приготовления пищи. Его используют как топливо для машин, котельных, ТЭЦ. Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд. Ценность природного газа как горючего состоит еще и в том, что это экологически чистое минеральное топливо. При его сгорании образуется гораздо меньше вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Поэтому природный газ является одним из главных источников энергии в человеческой деятельности.

В химической промышленности природный газ используется как сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс, каучука, спирта, органических кислот. Именно использование природного газа помогло синтезировать многие химические вещества, не существующие в природе, например, полиэтилен.

Сначала люди не догадывались о полезных свойствах газа. При добыче нефти он зачастую является попутным газом. Такой попутный газ раньше просто сжигали прямо на месте добычи. В те времена перевозить и продавать природный газ было невыгодно, но со временем были разработаны эффективные методы транспортировки природного газа до потребителя, главный из которых - трубопроводный. При этом способе газ из скважин, предварительно очищенный, поступает в трубы под огромным давлением - 75 атмосфер. Кроме этого используется способ транспортировки сжиженного газа в специальных танкерах - газовозах. Сжиженный газ более безопасен при перевозке и хранении, чем сжатый.

А сжигание природного газа в ряде государств запрещено законом, но в некоторых странах практикуется и в наши дни...

А знаете ли вы, что...

Чистый природный газ не имеет цвета и запаха. Чтобы можно было определить утечку бытового газа по запаху, в него добавляют небольшое количество веществ, имеющих сильный неприятный запах. Чаще всего для этой цели используют этилмеркаптан.

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

Зажигая горелку на кухне, мало кто из хозяек задумывается, как давно люди стали использовать природный газ в качестве топлива. Эта история насчитывает не века, а тысячелетия: в IV веке до н. э. китайцы обогревались и освещали жилища при помощи бездымного голубоватого огня.

В России промышленная разработка месторождений природного газа началась в прошлом веке, а до этого его находили только при добыче нефти или бурении скважин для воды.

Русская смекалка всегда помогала людям с пользой применять все, что встречается на пути. Когда в Саратовской губернии один купец начал бурить артезианскую скважину и обнаружил не воду, а огонь, он с выгодой воспользовался ситуацией и организовал там стекольное и кирпичное производство.

Другие промышленники переняли его опыт, и бесполезный подземный газ стал постепенно превращаться в ценное топливо.

Что такое природный газ

Одно из важнейших полезных ископаемых – природный газ, который используют и как топливо, и для нужд химической промышленности. Это бесцветное и не имеющее запаха вещество бывает очень опасным.

Без специальных приборов невозможно определить, что в воздухе присутсвует огнеопасный компонент, который может оказаться причиной пожара.