Введение
Нефть, природный и попутные газы, каменный уголь.
Основными источниками углеводородов являются природный и попутные нефтяные газы, нефть и каменный уголь.
Нефть
крекинг нефть газ уголь
Нефть - жидкое горючее ископаемое темно-бурого цвета с плотностью 0,70 - 1,04 г/см?. Нефть представляет собой сложную смесь веществ - преимущественно жидких углеводородов. По составу нефти бывают парафиновыми, нафтеновыми и ароматическими. Однако наиболее часто встречается нефть смешанного типа. Кроме углеводородов, в состав нефти входят примеси органических кислородных и сернистых соединений, а также вода и растворенные в ней кальциевые и магниевые соли. Содержатся в нефти и механические примеси - песок и глина. Нефть - ценное сырье для получения высококачественных видов моторного топлива. После очистки от воды и других нежелательных примесей нефть подвергают переработке. Основной способ переработки нефти - перегонка. Она основана на разнице температур кипения углеводородов, входящих в состав нефти. Поскольку нефть содержит сотни различных веществ, многие из которых имеют близкие температуры кипения, выделение индивидуальных углеводородов практически невозможно. Поэтому перегонкой нефть разделяют на фракции, кипящие в довольно широком интервале температур. Перегонкой при обычном давлении нефть разделяют на четыре фракции: бензиновую (30-180 °С), керосиновую (120-315 °С), дизельную (180-350 °С) и мазут (остаток после перегонки). При более тщательной перегонке каждую из этих фракций можно разделить еще на несколько более узких фракций. Так, из бензиновой фракции (смесь углеводородов С5 - С12) можно выделить петролейный эфир (40-70 °С), собственно бензин (70-120 °С) и лигроин (120-180 °С). В состав петролейного эфира входят пентан и гексан. Он является прекрасным растворителем жиров и смол. Бензин содержит неразветвленные предельные углеводороды от пентанов до деканов, циклоалканы (циклопентан и циклогексан) и бензол. Бензин после соответствующей переработки применяется в качестве горючего для авиационных и автомобильных
ДВС. Лигроин, содержащий в своем составе углеводороды С8 - С14 и керосин (смесь углеводородов С12 - С18) используют как горючее для бытовых нагревательных и осветительных приборов. Керосин в больших количествах (после тщательной очистки) применяют в качестве горючего для реактивных самолетов и ракет.
Дизельная фракция нефтеперегонки - горючее для дизельных двигателей. Мазут представляет собой смесь высококипящих углеводородов. Из мазута путем перегонки под уменьшенным давлением получают смазочные масла. Остаток от перегонки мазута называется гудроном. Из него получают битум. Эти продукты используются в дорожном строительстве. Мазут применяют и как котельное топливо.
Основным способом переработки нефти являются различные виды крекинга, т.е. термокаталитического превращения составных частей нефти. Различают следующие основные виды крекинга.
Термический крекинг - расщепление углеводородов происходит под воздействием высоких температур (500-700 оС). Например, из молекулы предельного углеводорода декана С10Н22образуются молекулы пентана и пентена:
С10Н22 >С5Н12 + С5Н10
пентан пентен
Каталитический крекинг проводят также при высоких температурах, но в присутствии катализатора, что позволяет управлять процессом и вести его в нужном направлении. При крекинге нефти образуются непредельные углеводороды, которые находят широкое применение в промышленном органическом синтезе
Природный и попутный нефтяной газы
Природный газ. В состав природного газа входит в основном метан (около 93%). Кроме метана природный газ содержит еще и другие углеводороды, а также азот, СО2, и часто - сероводород. Природный газ при сгорании выделяет много тепла. В этом отношении он значительно превосходит другие виды топлива. Поэтому 90% всего количества природного газа расходуется в качестве топлива на местных электростанциях, промышленных предприятиях и в быту. Остальные 10% используют как ценное сырье для химической промышленности. С этой целью из природного газа выделяют метан, этан и другие алканы. Продукты, которые можно получить из метана имеют важное промышленное значение.
Попутные нефтяные газы. Они растворены под давлением в нефти. При ее извлечении на поверхность давление падает, и растворимость уменьшается, в результате чего газы выделяются из нефти. Попутные газы содержат метан и его гомологи, а также негорючие газы - азот, аргон и СО2. Попутные газы перерабатывают на газоперерабатывающих заводах. Из них получают метан, этан, пропан, бутан и газовый бензин, содержащий углеводороды с числом атомов углерода 5 и больше. Этан и пропан подвергают дегидрированию и получают непредельные углеводороды - этилен и пропилен. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин добавляют к обычному бензину для ускорения его воспламенения при запуске ДВС.
Каменный уголь
Каменный уголь. Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Коксование происходит в коксовых печах при температуре 1000-1200 °С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты. Остывший кокс отправляют на металлургические заводы. При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода. Несконденсированными остаются аммиак, бензол, водород, метан, СО2, азот, этилен и др. Пропуская эти продукты через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350 °С, то остается твердая масса - пек. Его применяют для изготовления лаков. Гидрирование угля осуществляется при температуре 400-600 °С под давлением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:
nCO + (2n+1)H2 > CnH2n+2 + nH2O;
nCO + 2nH2 > CnH2n + nH2O.
Если сухую перегонку угля проводить при 500-550 °С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).
На сегодняшний день существует серьезная опасность экологической катастрофы. На земле практически нет места, где природа не потерпела бы от деятельности промышленных предприятий и жизнедеятельности человека. При работе с продуктами перегонки нефти нужно следить, чтобы они не попадали в почву и водоемы. Почва, пропитанная нефтепродуктами, теряет плодородие на многие десятки лет, и его очень трудно восстановить. Только за 1988 г. при повреждении нефтепроводов в одно из крупнейших озер попало около 110000 т нефти. Известны трагические случаи слива мазута и нефти в реки, в которых происходит нерест ценных пород рыб. Серьезную опасность загрязнения воздуха представляют ТЭС, работающие на угле, -- они являются основным источником загрязнения. Отрицательно воздействуют на водоемы ГЭС, работающие в равнинах рек. Хорошо известно, что автомобильный транспорт сильно загрязняет атмосферу продуктами неполного сгорания бензина. Перед учеными стоит задача к минимуму сократить степень загрязнения окружающей среды.
Основными природными источниками углеводородов являются нефть, природный и попутный нефтяной газы и каменный уголь.Природный и попутный нефтяной газы.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан, остальное приходится на долю этана, пропана, Бутана, и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды. 90% его расходуется в качестве топлива, остальные 10% используют как сырье для химической промышленности: получение водорода, этилена, ацетилена, сажи, различный пластмасс, медикаментов и др.
Попутный нефтяной газ – это тоже природный газ, но он встречается вместе с нефтью – находится над нефтью или растворен в ней под давлением. Попутный газ содержит 30 – 50% метана, остальная часть приходится на его гомологи: этан, пропан, бутан и другие углеводороды. Кроме того, в нем присутствуют те же примеси, что и в природном газе.
Три фракции попутного газа:
Газовый бензин; его добавляют к бензину для улучшения запуска двигателя;
Пропан-бутановая смесь; применяется как бытовое топливо;
Сухой газ; используют для получения ацителена, водорода, этилена и других веществ, из которых в свою очередь производят каучуки, пластмассы, спирты, органические кислоты и т.д.
Нефть.
Нефть – маслянистая жидкость от желтого или светло-бурого до черного цвета с характерным запахом. Она легче воды и в ней практически нерастворима. Нефть представляет собой смесь примерно 150 углеводородов с примесями других веществ, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
90% добываемой нефти используется как сырье для производства различных видов топлива и смазочных материалов. В то же время нефть – ценное сырье для химической промышленности.
Нефть, добываемую из земных недр, называю сырой. В сыром виде нефть не применяют, ее подвергают переработке. Сырую нефть очищают от газов, воды и механических примесей, а затем подвергают фракционной перегонке.
Перегонка – процесс разделения смесей на отдельные компоненты, или фракции, на основании различия их температур кипения.
При перегонке нефти выделяют несколько фракций нефтепродуктов:
Газовая фракция (tкип = 40°С) содержит нормальные и разветвленные алканы СН4 – С4Н10;
Бензиновая фракция (tкип = 40 - 200°С) содержит углеводороды С 5 Н 12 – С 11 Н 24 ; при повторной перегонке из смеси выделяют легкие нефтепродукты, кипящие в более низких интервалах температур: петролейный эфир, авиационный и автомобильный бензин;
Лигроиновая фракция (тяжелый бензин, tкип = 150 - 250°С), содеожит углеводороды состава С 8 Н 18 – С 14 Н 30 , применяют в качестве горючего для тракторов, тепловозов, грузовых автомобилей;
Керосиновая фракция (tкип = 180 - 300°С) включает углеводороды состава С 12 Н 26 - С 18 Н 38 ; ее используют в качестве горючего для реактивных самолетов, ракет;
Газойль (tкип = 270 - 350°С) используют как дизельное топливо и в больших масштабах подвергается крекингу.
После отгонки фракций остается темная вязкая жидкость – мазут. Из мазута выделяют соляровые масла, вазелин, парафин. Остаток от перегонки мазута – гудрон, его применяют при производстве материалов для дорожного строительства.
Вторичная переработка нефти основана на химических процессах:
Крекинг – расщепление крупных молекул углеводородов на более мелкие. Различают термический и каталитический крекинг, который более распространен в настоящее время.
Риформинг (ароматизация) - это превращение алканов и циклоалканов в ароматические соединения. Этот процесс осуществляют путем нагревания бензина при повышенном давлении в присутствии катализатора. Риформинг применяют для получения из бензиновых фракций ароматических углеводородов.
Пиролиз нефтепродуктов проводят нагреванием нефтепродуктов до температуры 650 - 800°С, основными продуктами реакции являются непредельные газообразные и ароматические углеводороды.
Нефть – сырье для производства не только топлива, но и многих органических веществ.
Каменный уголь.
Каменный уголь так же является источником энергии и ценным химическим сырьем. В состав каменного угля в основном органические вещества, а также вода, минеральные вещества, при сжигании образующие золу.
Одним из видов переработки каменного угля является коксование – это процесс нагревания угля до температуры 1000°С без доступа воздуха. Коксование угля проводят в коксовых печах. Кокс состоит из практически чистого углерода. Его используют в качестве восстановителя при доменом производстве чугуна на металлургических заводах.
Летучие вещества при конденсации каменноугльную смолу (содержит много различных органических веществ, из них большая часть – ароматические), аммиачную воду (содержит аммиак, соли аммония) и коксовый газ (содержит аммиак, бензол, водород, метан, оксид углерода (II), этилен, азот и другие вещества).
Природный газ не имеет цвета и запаха образует самостоятельные скопления в виде газовых месторождений температура самовозгорания: 650 °C у газа наиболее простая транспортировка – по трубопроводам. Это разгружает транспорт и удешевляет сам газ. Мировые запасы газа сосредоточены в России, Иране, США, Алжире, Канаде, Мексике, Норвегии. по запасам газа Россия на 1 месте Залежи газа (как и нефти) располагаются в основном на глубинах, превышающих 3 км, где первичное органическое вещество при температуре 100 °С и высоком давлении преобразуется в углеводороды.
Азот и др.газы Пропан Этан Пентан Бутан Метан основной компонент CH % C 2 H 6 0,5-4% C 3 H 8 0,2-1,5% C 4 H 10 0,1-1% C 5 H % N… 2-13% «сухой газ»
Как топливо в промышленности и быту сырье для химпрома теплота сгорания выше, чем у других видов топлива(при сжигании 1 м 3 газа выделяется до кДж) не оставляет золы экологически чистый вид топлива Получение синтетических волокон, каучука, пластмасс, спиртов, жиров, азотных удобрений, аммиака, ацетилена, взрывчатых веществ, медикаментов и т.д.
Тоже природный газ, растворен в нефти и расположен над нефтью. На 1 т нефти попутно добывают 100–150 м 3 газа При извлечении нефти на поверхность газ из-за резкого падения давления отделяется от нее. CH 4 40% Попутный газ содержит алканы, в молекулах которых от 1 до 6 атомов C C 2 H 6 20% C 3 H 8 20% C 4 H 10 20% C 5 H 12 мало C 6 H 14 мало Попутный газ – «жирный газ», т.к. кроме метана (сухой газ) и его гомологов содержатся высшие углеводороды.
Смесь пентана с гексаном Использование попутного газа шире, чем природного, т.к. с CH 4 в нем содержится много C 2 H 6, C 3 H 8, C 4 H 10, C 5 H 12 Газовый бензин используют как добавку к бензину. Смесь пропана и бутана в сжиженном виде используют как топливо в быту и в автомобилях. Разделяют попутный газ на этан, пропан и т.д., из которых потом получают непредельные углеводороды.
Нефть маслянистая горючая жидкость с характерным запахом от светло-бурого до черного цвета немного легче воды не растворяется в воде нет определенной t кипения Нефть, как и газ, не образует отдельных пластов, она заполняет пустоты в породах: поры между песчинками, трещины Залежи нефти находятся в недрах земли на разной глубине. Нефть находится под давлением и поднимается по скважине на поверхность земли.
2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородам" title="Cернистая(от 0,5 до 2% S) Нефть - смесь различных углеводородов (150) с примесями других веществ Малосернистая(до 0,5% S) Высокосернистая (> 2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородам" class="link_thumb"> 9 Cернистая(от 0,5 до 2% S) Нефть - смесь различных углеводородов (150) с примесями других веществ Малосернистая(до 0,5% S) Высокосернистая (> 2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородами Грозненская и ферганская: больше предельных углеводородов Пермская: содержит ароматические углеводороды Сера приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов. 2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородам"> 2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородами Грозненская и ферганская: больше предельных углеводородов Пермская: содержит ароматические углеводороды Сера приносит немало хлопот нефтяникам, вызывая коррозию металлов."> 2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородам" title="Cернистая(от 0,5 до 2% S) Нефть - смесь различных углеводородов (150) с примесями других веществ Малосернистая(до 0,5% S) Высокосернистая (> 2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородам"> title="Cернистая(от 0,5 до 2% S) Нефть - смесь различных углеводородов (150) с примесями других веществ Малосернистая(до 0,5% S) Высокосернистая (> 2% S) Состав нефти зависти от месторождения. Бакинская: богата циклоалканами, бедна предельными углеводородам">
Легкая тяжелая извлекают насосами, фонтанным способом. Из них делают в основном бензин и керосин иногда добывают шахтным способом (Яремское месторождение в Республике Коми) Перерабатывают в битум, мазут, масла, Из некоторых сортов нефти выделяют парафин. Смешивая твердые и жидкие углеводороды, получают вазелин. Легкая нефть примерно на два процента меньше углерода, чем тяжелая, зато большее количество водорода и кислорода.
Нефть C2H4C2H4 Бутадиеновый каучук H 2 C-CH 2 | HO OH Антифризы C 2 H 5 OH Растворители Волокна лавсана Растворители Бутадиен- стирольный каучук H 2 C-CH-CH 2 | | | HO OH OH Антифризы Лекарственные мази Мази для парфюмерии H 3 C-CH=CH 2 и др.непред. углеводороды Растворители Горючее для двигаелей внутреннего сгорания Взрывчатые вещества CH 2 =CH | CH 2 =CH
Переработка фракций после первичного процесса 1 Крекинг т.е. расщепление длинной углеводородной цепи на углеводороды с меньшим числом атомов углерода 2 Пиролиз т.е. разложение орг. веществ без доступа воздуха при высокой температуре 3 Гидроочистка т.е. обработка водородом при нагревании и давлении в присутствии катализатора Перегонка нефти (ректификация) т.е разделение на фракции Недостаток: малый выход бензина для увеличения выхода бензина и улучшения его качества получение ароматич.углеводородов (бензол, толуол), непред. газообразных углеводородов(этилена, ацетилена) чтобы удалить сернистые и азотосодержащие соед.
Как топливо в промышленности и быту технологическое и химическое сырье Делают искусственный графит. Золу используют в производстве строительных материалов, керамического и огнеупорного сырья, глинозема. Крупными каменноугольными бассейнами являются: Тунгусский, Ленский, Таймырский в России, Аппалачский в США, Карагандинский в Казахстане Одним из основных способов получения углеводородов из каменного угля является коксование или сухая перегонка
Природные источники углеводородов.
Углеводороды имеют большое народнохозяйственное значение, так как служат важнейшим видом сырья для получения почти всей продукции современной промышленности органического синтеза и широко используются в энергетических целях. В них как бы аккумулированы солнечное тепло и энергия, которые освобождаются при сжигании. Торф, каменный уголь, горючие сланцы, нефть, природные и попутные нефтяные газы содержат углерод, соединение которого с кислородом при горении сопровождается выделением тепла.
| каменный уголь | торф | нефть | природный газ |
 |  |
||
| твердый | твердый | жидкость | газ |
| без запаха | без запаха | резкий запах | без запаха |
| однородный состав | однородный состав | смесь веществ | смесь веществ |
| горная порода темного цвета с большим содержанием горючего вещества, возникшего вследствие захоронения в осадочных толщах скоплений различных растений | скопление полуперепревшей растительной массы, накопившейся на дне болот и заросших озер | природная горючая маслянистая жидкость, состоит из смеси жидких и газообразных углеводородов | смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ, газ относится к группе осадочных горных пород |
| Теплотворная способность - количество калорий, выделяемых при сжигании 1 кг топлива | |||
| 7 000 - 9 000 | 500 - 2 000 | 10000 - 15000 | ? |
Каменный уголь.
Уголь всегда являлся перспективным сырьем для получения энергии и многих химических продуктов.
Первым крупным потребителем угля с XIX века является транспорт, затем уголь стали использовать для производства электроэнергии, металлургического кокса, получения при химической переработке разнообразных продуктов, углеграфитовых конструкционных материалов, пластических масс, горного воска, синтетического, жидкого и газообразного высококалорийного топлива, высокоазотистых кислот для производства удобрений.
Каменный уголь - сложная смесь высокомолекулярных соединений, в состав которых входят следующие элементы: С, Н, N, О, S. Каменный уголь, как и нефть, содержит большое количество различных органических веществ, а также и неорганические вещества, такие, например, как вода, аммиак, сероводород и конечно же сам углерод – уголь.
Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Одним из основных способов переработки каменного угля является коксование – прокаливание без доступа воздуха в коксовых печах при температуре 1000–1200°С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты:
1. коксовый газ (водород, метан, угарный и углекислый газы, примеси аммиака, азота и других газов);
2. каменноугольная смола (несколько сотен различных органических веществ, в том числе бензол и его гомологи, фенол и ароматические спирты, нафталин и различные гетероциклические соединения);
3. надсмольная, или аммиачная, вода (растворенный аммиак, а также фенол, сероводород и другие вещества);
4. кокс (твердый остаток коксования, практически чистый углерод).
Остывший кокс отправляют на металлургические заводы.
При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода.
Пропуская несконденсированные продукты (аммиак, бензол, водород, метан, СО 2 , азот, этилен и др.) через раствор серной кислоты выделяют сульфат аммония, который используется в качестве минерального удобрения. Бензол поглощают растворителем и отгоняют из раствора. После этого коксовый газ используется как топливо или как химическое сырье. Каменноугольная смола получается в незначительных количествах (3%). Но, учитывая масштабы производства, каменноугольная смола рассматривается как сырье для получения ряда органических веществ. Если от смолы отогнать продукты, кипящие до 350°С, то остается твердая масса – пек. Его применяют для изготовления лаков.
Гидрирование угля осуществляется при температуре 400–600°С под давлением водорода до 25 МПа в присутствии катализатора. При этом образуется смесь жидких углеводородов, которая может быть использована как моторное топливо. Получение жидкого топлива из угля. Жидкое синтетическое топливо - это высокооктановый бензин, дизельное и котельное топливо. Чтобы получить жидкое топливо из угля, необходимо увеличить в нем содержание водорода путем гидрирования. Гидрогенизацию проводят с использованием многократной циркуляции, которая позволяет превратить в жидкость и газы всю органическую массу угля. Достоинством этого метода является возможность гидрирования низкосортного бурого угля.
Газификация угля позволит использовать низкокачественные бурый и каменный угли на теплоэлектростанциях, не загрязняя окружающую среду соединениями серы. Это единственный метод получения концентрированного монооксида углерода (угарного газа) СО. Неполное сгорание угля дает оксид углерода (II). На катализаторе (никель, кобальт) при обычном или повышенном давлении из водорода и СО можно получить бензин, содержащий предельные и непредельные углеводороды:
nCO + (2n+1)H 2 → C n H 2n+2 + nH 2 O;
nCO + 2nH 2 → C n H 2n + nH 2 O.
Если сухую перегонку угля проводить при 500–550°С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).
В природе каменный уголь находится в следующих регионах: Подмосковный бассейн, Южно-Якутский бассейн, Кузбасс, Донбасс, Печорский бассейн, Тунгусский бассейн, Ленский бассейн.
Природный газ.
Природный газ – смесь газов, основным компонентом которой является метан CH 4 (от 75 до 98% в зависимости от месторождения), остальное приходится на долю этана, пропана, бутана и небольшого количества примесей – азота, оксида углерода (IV), сероводорода и паров воды, и, практически всегда, – сероводород и органические соединения нефти - меркаптаны. Именно они сообщают газу специфический неприятный запах, а при сжигании приводят к образованию токсичного диоксида серы SO 2 .
Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его в процентах по объему следующий:
| СН 4 | С 2 Н 6 | С 3 Н 8 | С 4 Н 10 | N 2 и другие газы |
| 75-98 | 0,5 - 4 | 0,2 – 1,5 | 0,1 – 1 | 1-12 |
Метан образуется при анаэробном (без доступа воздуха) сбраживании растительных и животных остатков, поэтому образуется в донных отложениях и носит название "болотного" газа.
Залежи метана в гидратированной кристаллической форме, так называемый метангидрат, обнаружены под слоем вечной мерзлоты и на больших глубинах океанов. При низких температурах (−800ºC) и высоких давлениях молекулы метана размещаются в пустотах кристаллической решетки водяного льда. В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата "законсервировано" 164 кубометра газа.
Куски метангидрата выглядят как грязный лед, но на воздухе сгорают желто-синим пламенем. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата ("гига" равен 1 миллиарду). Такие объемы во много раз превышают все известные на сегодняшний день запасы природного газа.
Природный газ является возобновляемым природным ресурсом, так как синтезируется в природе непрерывно. Его еще называют "биогазом". Поэтому перспективы благополучного существования человечества многие ученые-экологи связывают сегодня именно с использованием газа в качестве альтернативного топлива.
В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы, продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Поэтому около 90% всего объема добываемого природного газа сжигается в качестве топлива на тепловых электростанциях и в котельных, в термических процессах на промышленных предприятиях и в быту. Около 10% природного газа используют как ценное сырье для химической промышленности: для получения водорода, ацетилена, сажи, различных пластмасс, медикаментов. Из природного газа выделяют метан, этан, пропан и бутан. Продукты, которые можно получить из метана, имеют важное промышленное значение. Метан используется для синтеза многих органических веществ − синтез-газа и дальнейшего синтеза на его основе спиртов; растворителей (четыреххлористого углерода, хлористого метилена и др.); формальдегида; ацетилена и сажи.
Природный газ образует самостоятельные месторождения. Основные месторождения природных горючих газов расположены в Северной и Западной Сибири, Волго-Уральском бассейне, на Северном Кавказе (Ставрополе), в Республике Коми, Астраханская область, Баренцево море.
В то время как в передовых странах мира разрабатывают все новые способы получения «чистой энергии», большая часть мира до сих пор потребляет такие энергоносители, как дрова, уголь и нефть. Даже в развитых странах уголь до сих пор сохраняет свои позиции. Поэтому в глобальном масштабе переход на газовое топливо считается большим шагом вперед в силу его энергетической эффективности и экологической чистоты.Природный газ мог бы занять еще большее место в структуре мирового потребления, если бы расширялась его роль как автотранспортного топлива. Использовать природный газ сложнее, чем привычный бензин или дизельное топливо, но выигрыш может быть тоже очень большим.
Экологи и медики не устают говорить о необходимости снижения загазованности больших городов. И речь идет в данном случае не только о выбросах углекислоты — самого известного парникового газа. Выхлоп автомобиля богат и другими ядовитыми веществами — угарным газом, соединениями азота и серы, частицами сажи. Важно уменьшить долю вредных веществ, а для этого молекулы топлива должны быть максимально простыми, чтобы процесс горения был самым полным. Метан, чья формула СН4, — как раз такое топливо.
Именно поэтому в наши дни все чаще воспринимают природный газ как альтернативу нефти. Важно отметить, что когда говорят о природном газе, то речь идет именно о метане, так как под словом «автогаз» часто понимаются другие вещества: пропан и бутан, которые являются продуктами перегонки нефти.
Цена на природный газ меньше цены на бензин или дизельное топливо. Запасы его на планете несоизмеримо больше, чем запасы нефти, особенно это справедливо для России. Поэтому развитие транспортной инфраструктуры, ориентированной на эксплуатацию автомашин, работающих на природном газе, является выгодным долгосрочным вложением.
География мировой газовой автомобилизации весьма причудлива — это и бедные, и богатые страны. Все приходили к идее использования природного газа своим путем исходя из своих потребностей. Европейским лидером является Италия, где число газовых автомобилей приближается к миллиону, но ей еще далеко до таких стран, как Иран и Пакистан, в каждой из которых бегает более 3 миллионов автомашин на природном газе. Существует государственная программа по развитию автотранспорта на сжатом природном газе и в России.
Весьма методично развивает буквально с нуля свой газовый транспорт Финляндия, которая удовлетворяет свои потребности целиком за счет российского природного газа. Это не только вклад автотранспортных предприятий в решение экологических задач, но и прямая экономия.
Метан как моторное топливо вдвое эффективнее бензина, его использование увеличивает ресурс двигателя, и, что особенно важно для северных стран, мотор на метане легко заводится даже при очень низких температурах.
Есть и сложности в его эксплуатации, так как его приходится возить в баллонах высокого давления. Чаще всего природный газ сжимают до 200 атмосфер, и заправка одного стандартного 35-литрового баллона эквивалентна примерно 7-8 литрам бензина или солярки. Поэтому и развитие газотранспорта началось с автобусов — у этих машин большая плоская крыша, на которой можно удобно расположить батарею из 90-литровых металлопластиковых баллонов. Опыт показывает, что одной заправки вполне хватает на смену, а сама заправка длится меньше минуты.
Появление новых типов газовых баллонов позволило устанавливать их и на других машинах — в первую очередь на микроавтобусах, грузовиках, специальном транспорте. Однако крупнейшие мировые производители уже выпускают и легковые «гибриды» на сжатом природном газе (CNG). Это топливо — и для развитых стран по причине своей экологичности, и для развивающихся — по причине дешевизны. Но оно находит себе место и там, где хотят использовать самый чистый транспорт — электромобили.
Проблема электротранспорта — это необходимость частой зарядки, особенно при низких температурах воздуха. Экологов беспокоит также, откуда берется электричество, — одно дело, если источником является солнечная батарея, и совсем другое — коптящая угольная теплоэлектростанция.
Поэтому весьма интересным решением является использование топливных элементов, напрямую вырабатывающих электроэнергию при окислении метана. Эти топливные элементы можно установить в жилом доме, близ офиса или электрозаправочной станции. Они преобразуют энергию природного газа в электричество с высоким коэффициентом полезного действия. Электричество, получаемое таким образом, будет иметь самый маленький углекислотный побочный шлейф из всех возможных, и, как показывает опыт применения подобных устройств, цена его оказывается ниже, чем электричества, полученного «из розетки».
Специалисты обращают внимание, что метан при этом — самое безопасное горючее вещество. В силу того что он легче воздуха, он стремится всегда вверх, рассеиваясь в атмосфере. Даже в случае возгорания его горящее облако уходит вверх, а не держится у поверхности земли. При этом октановое число у метана выше 100, как у самых лучших видов топлива.
И газозаправочные станции, и метановые топливные соединены с газопроводной сетью. Таким образом, развитая газопроводная сеть будет стимулом для развития газозаправочной и электрозаправочной инфраструктуры, но справедливо и другое — стремление развивать такую структуру потребует строительства новых газопроводов — как местных, так и новых магистральных, чтобы удовлетворить растущий спрос на это топливо — топливо XXI века.
Вконтакте