Классификация газообразного топлива, способы его переработки.

Введение

Топливо – это вещество, существующее в природе или полученное искусственно, являющееся сырьем для химической промышленности и источником тепловой энергии. Все виды топлива можно разделить по агрегатному состоянию и происхождению. По агрегатному состоянию его делят на твердое, жидкое, газообразное.
Газообразное топливо – это горючие газы, его используют в основном для сжигания в отопительных котлах и установках. Газовое топливо имеет ряд преимуществ. При сжигании газа можно минимизировать потери тепла с выходом продуктов сгорания из дымохода, при сжигании газа не образуются зола, шлак и дым. Газ можно транспортировать самым дешевым видом транспорта - трубопроводным. По этим причинам газообразные топлива все больше используются в промышленности, а также в бытовом и автомобильном топливе.[24]
Роль топлива в народном хозяйстве страны велика и постоянно возрастает в связи с бурным развитием промышленности органического синтеза, требующей огромного количества углеродного сырья, получаемого в результате химической переработки различных видов топлива.
Газовое топливо может использоваться как в качестве традиционного энергоресурса, так и в качестве сырья. Таким образом, продукты и материалы, получаемые при переработке газообразных топлив, используются в различных областях человеческой деятельности, таких как химическая, горнодобывающая, пищевая, медицинская и текстильная промышленность, машиностроение, сельское хозяйство и быт.
В связи с увеличением производства и потребностей человека, необходимо использование большего количества топлива. Добыча топлива – актуальная проблема современной промышленности. Что определило актуальность темы нашего исследования: «Классификация газообразного топлива, способы его переработки».
Объект: газообразное топливо.
Предмет: классификация газообразного топлива, способы переработки.
Цель: изучение классификации газообразного топлива и способов его переработки.
Для достижения поставленной цели требуется решить ряд задач:
 рассмотреть происхождение видов газообразного топлива;
 изучить классификацию и состав газообразного топлива;
 рассмотреть подготовку газообразного топлива;
 изучить методы переработки газообразного топлива.
Методы: теоретические: анализ научной литературы, документов.
Практическая значимость работы состоит в обобщении опыта в области газообразного топлива. Результаты курсовой работы могут быть использованы при переработки газообразного топлива.
Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы.
















Глава I Общая характеристика газообразного топлива

1.1 Классификация газообразного топлива

Газовое топливо может быть добыто в виде минерального сырья или произведено в искусственных условиях (рисунок 1). В первом случае такое топливо называют природным, а во втором – искусственным (синтетическим).


Рисунок 1 - Классификация газообразного топлива

Естественные газы делят на два вида: природные и попутные, искусственные по способу получения делят на 3 вида: газификации, газы сухой перегонки, сжиженные газы.
Природные газы делятся на три группы:
 газы, которые добывают чисто из газовых месторождений, в основном состоят из метана СH4. Данные газы являются тощими или сухими. Сухие газы в составе содержат менее 50 г/м3 тяжелых углеводородов (от пропана и выше);
 газы, которые выделяются из нефтяных скважин вместе с нефтью, их часто называют попутными. Кроме метана такие газы содержат большое количество более тяжелых углеводородов (свыше 150 г/м3), являются жирными газами. Они представляют собой смесь сухого газа, пропан-бутановой фракции, газового бензина;
 газы, которые добываются из конденсатных месторождений. Они состоят из смеси сухого газа, паров конденсата, который выпадает в процессе обратной конденсации при снижении давления. Пары этого конденсата являются смесью паров тяжелых углеводородов, которые содержат С5 и выше (керосин, бензин, лигроин).
Первый вид природного газа не содержит конденсируемых компонентов. Их плотность меньше, чем у воздуха, они относятся к категории «сухих» газов. Основной отличительной чертой газоконденсатных месторождений является наличие в них конденсатной фракции (высокомолекулярных углеводородов). В процессе производства такой газ получают путем его очистки от бензиновой фракции.
К искусственным видам газообразного топлива относятся вещества, которые получаются при переработке твердого или жидкого топлива: газы нефтепереработки, попутные газы, оборотный коксовый газ и др. Наиболее распространенными и популярными видами искусственного газообразного топлива являются газы коксового крекинга. [7]
В зависимости от химического состава того или иного газа уровень теплоты, выделяющейся при сгорании, колеблется в широких пределах. Такие вещества очень взрывоопасны. По этой причине рекомендуется смешивать их с природным газом перед сжиганием. Эта мера на порядок повышает безопасность эксплуатации газового оборудования. Данные манипуляции проводятся на базах, оснащенных специальным оборудованием. После этот газ доставляется конечному потребителю в баллонах или других формах.
Побочным продуктом, получаемым при добыче нефти из скважин, является нефтяной газ. Данный газ растворен в нефти или находится в свободном состоянии над поверхностью нефти. Он состоит из углеводородов метанового ряда CnH2n+2.
Коксовый и полукоксовый газы, которые получаются в результате термохимических высокотемпературных процессов без доступа окислителя, являются основными продуктами сухой перегонки твердых топлив. Их состав определяется видом первичных топлив и условиями перегонки. Полукоксовый газ получают нагреванием твердого топлива до температуры 500-600ºС. При повышении температуры топлива до 900-1100ºС получают кокс для выплавки доменного чугуна, а также коксовый газ (350 м3 на 1 т. сырья).[15]
Газ, который получается при деструктивной переработке жидких топлив, по условиям пирогенетического разложения делится на три вида: жидкофазный крекинг, парофазный крекинг, пиролиз. Такие горючие газы, в отличие от попутного нефтяного газа, содержат большое количество непредельных углеводородов и являются сырьем для промышленных реакций органического синтеза.
При газификации искусственный топливный газ получают в процессе нагревания топлива с частичным его сжиганием. В зависимости от состава применяемого дутья различают: воздушный газ, водяной газ, парокислородный генераторный газ.[3]
Всё газообразное топливо также делятся по теплоте сгорания. Среди них выделяют три группы:
1. низкокалорийные газы (генераторный, смешанный, доменный, рудничный и др.), которые выделяют до 10000 кДж/м3;
2. среднекалорийные (водяной, светильный, коксовый и др.), при сгорании данных газов выделяется 10000-20000 кДж/м3;
3. высококалорийные, выделяющие более 20000 кДж/м3 тепла, к числу этих газов относятся разные природные газы газовых месторождений, нефтяные газы или попутные, которые добывают из нефтяных скважин вместе с нефтью, сжиженные газы, а также различные крекинговые газы и др., которые получают при переработке нефти. [20]

1.2 Состав газообразного топлива

Состав газообразного топлива зависит от его природы, происхождения и способа производства.
Природное газообразное топливо почти полностью состоит из метана (CH4). Это топливо называют природным газом. Данный вид топлива является самым дешевым источником энергии на сегодняшний день. Именно по этому данный вид энергоресурсов активно используется во всех отраслях народного хозяйства.[24]
Газовое топливо состоит из смеси негорючих и горючих газов. К горючим газам относятся углеводороды, такие как метан, этан, пропан, бутан, а также водород и монооксид углерода (угарный газ). Негорючими компонентами являются азот, углекислый газ, кислород, а также определенное количество добавок, как горючих, так и негорючих веществ, количество которых ограничено ГОСТ 5542-78. К примесям относятся пары воды, нафталин, сероводород, пыль, аммиак и другие. Балласт газового топлива образуют негорючие газы и примеси.[18]
К газовым топливам относятся:
 природный газ (основным компонентом этого газа является метан, а также он содержит маленькие количества азота N2, высших углеводородов и углекислого газа CO2);
 попутный газ (данный газ выделяется при добыче нефти, в его составе меньше метана, чем в природном, больше высших углеводородов, поэтому данный газ при сгорании выделяет большее количество теплоты).
 сжиженный газ (этот газ получается при первичной переработке нефти и попутных нефтяных газов, на его основе выпускают технический пропан, бутан и их смеси, сжиженные газы транспортируются в жидком виде в баллонах под маленьким давлением, которое составляет менее 2 Мпа);
 коксовый, доменный газы (эти газы получают в качестве попутных продуктов на металлургических заводах, их используют на заводах для отопления печей и других технологических аппаратов).
Природный газ добывается исключительно из газовых месторождений или вместе с нефтью (такой газ называют попутным газом). В первом случае основным горючим компонентом является метан, его содержание может доходить до 95-98%. Природные газы относятся к категории сухих или тощих газов, их состав относительно постоянен, в отличии от состава газов газонефтяных месторождений. Их состав непостоянный, зависит от природы нефти, величины газового фактора, условий разделения нефтегазовых смесей.[9]
Попутные газы кроме метана содержат большое количество других углеводородов, таких как этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н10), пентан (С5Н12) и т.д. Высокую теплоту сгорания имеют попутные газы, но редко используются в качестве топлива. Эти газы в основном используются в химической промышленности.
Сухое газообразное топливо состоит из:
CH4+ C2H4+ CO2 + H2+ H2S + CmHn+ N2 + O2+… = 100.
Метан СН4 составляет основную часть многих природных газов. Во время сгорания 1 м3 СН4 выделяется 35800 кДж теплоты. Количество метана в природных газах может доходить до 95-98%.[29]
Этилен С2Н4 содержится в газах в небольшом количестве, при сгорании 1 м3 выделяется 59000 кДж теплоты.
Водород Н2 содержится в небольшом количестве во многих горючих газах, кроме коксового газа, в нем содержание водорода может достигнуть 50-60%, при сгорании 1 м3 водорода теплоты выделяется 10800 кДж.
При горении пропана С3Н8 и бутана С4Н10 выделяется больше теплоты, чем при сгорании этилена. Содержание этих углеводородов в горючих газах незначительно.
Оксид углерода СО является основной горючей составляющей доменного газа, он не имеет цвета и запаха, очень ядовитый. При сгорании 1 м3 монооксида углерода выделяется 12770 кДж теплоты.
Сероводород H2S — это тяжелый газ с неприятным запахом, обладающий высокой токсичностью. Коррозия металлических частей печи и газопровода увеличивается, если в газообразном топливе есть сероводород. Если в газе одновременно присутствуют кислород и влага, то коррозирующее воздействие сероводорода увеличивается. При горении 1 м3 H2S выделяется 23400 кДж теплоты.
Остальные газы, такие как углекислый газ СО2, азот N2, кислород О2, и пары воды являются балластными составляющими. Их наличие в газообразном топливе приводит к уменьшению температуры горения топлива. При увеличении количества этих газов уменьшается содержание горючих компонентов. Опасным по условиям техники безопасности является содержание в топливе более 0,5% свободного О2.[4]
В народном хозяйстве широко используются сжиженные углеводородные газы, которые используются в сельской местности и населенных пунктах, расположенных на значительном удалении от магистрального газопровода.
Сжиженные углеводородные газы — это углеводороды, которые при нормальных условиях находятся в газообразном состоянии и при относительно небольшом повышении давления (без падения температуры) переходят в жидкое состояние. [22]
Сжиженные газы — это смесь углеводородов (пропана и бутана) с небольшим количеством примесей более тяжелых углеводородов. Источниками их образования являются попутные газы нефтяных и газоконденсатных месторождений и газы нефтепереработки. В атмосферных условиях сжиженные газы переходят в газообразное состояние, а при повышении давления или понижении температуры становятся жидкими. Для транспорта и хранения эти газы обычно сжижают, а для потребления используют в газовом виде (газовая фаза).[30]
Эти углеводородные жидкости при снижении давления испаряются, переходят в паровую фазу. Что позволяет транспортировать и хранить сжиженные углеводороды в виде жидкостей, а газообразные углеводороды контролировать, регулировать и сжигать в виде газов.[27]
Доменный газ получается, как побочный продукт при выплавке чугуна, в доменных печах. Процесс доменного газообразования связан с взаимодействием углерода кокса с дутьем и восстановительными реакциями железных руд. Состав доменного газа зависит от влажности и температуры воздуха, обогащения кислородом. [24]

1.3 Источники природного газообразного топлива

Запасы газообразного топлива делятся на три категории по степени разведанности:
 промышленные или разведанные запасы, на их базе готовятся проекты разработки месторождений, а также проекты газопроводов;
 запасы, сформированные на основе благоприятных геолого-физических данных, эти запасы являются основанием для организации разведочных работ на конкретных земельных участках;
 прогнозируемые запасы, которые устанавливаются на основе анализа общегеологических критериев нефтегазоносности.
На Земле количество разведанных запасов природного газового топлива составляют более 60 трлн. м3, а прогнозируемые оцениваются в 200 трлн. м3. В США, Алжире, Иране, Нидерландах находятся крупнейшие газовые месторождения. В Российской Федерации открыто около 500 месторождений газа, газоконденсатных и газонефтяных месторождений с запасами топлива в них свыше 1 трлн. Главными из них являются Уренгойское, Медвежье, Заполярное, Оренбургское, Ямбургское газовое, Вуктыльское и Астраханское газоконденсатное месторождения. Все разведанные запасы газа России оцениваются в 31 трлн. м3. [2]
Залежи газового топлива в Российской Федерации распределены неравномерно как по территории, так и по глубине. 75% разведанных запасов находятся в Сибири и на Дальнем Востоке, при этом основные запасы газа находятся на месторождениях Тюменской области. Глубина залегания газовых месторождений колеблется от 0,1 до 5 км, при этом около 85 % всего газа сосредоточено на глубине 1–3 км.[19]
Попутный нефтяной газ выделяется из нефти при ее добыче и стабилизации. Природный газ и газ газоконденсатных месторождений находятся в газовых залежах под давлением 5-10 МПа, которое создается давлением пластовой воды и горным давлением. Поэтому эти газы извлекаются через сеть скважин фонтанным способом, при котором газ поднимается на поверхность под действием пластового давления. Так как энергия пласта нерационально расходуется на самопроизвольный газовыделение и возможно разрушение скважины, приток газа ограничивают установкой штуцера на выходе из скважины. С помощью которого регулируется количество отбираемого из скважины газа.[1]
Современное газовое месторождение представляет собой сложный технический комплекс, включающий добывающие скважины, газосборные сети с газосборными установками, компрессорные, холодильные и газораспределительные станции.
Сбор газа на месторождении организован по кольцевой или лучевой схемам. Количество скважин, подключенных к пунктам сбора газа, зависит от размеров месторождения, конфигурации газового месторождения, системы расположения скважин и параметров добываемого газа, таких как состав, давление, температура.
Важнейшей характеристикой работы газового месторождения является коэффициент извлечения газа при эксплуатации или газоотдача месторождения. В отличие от коэффициента извлечения твердых ископаемых (50-60 %) и нефти (30-40 %), извлечение газа значительно выше и составляет в среднем 85 %, бывает и более. Связано это с малой вязкостью и высокой эластичностью газа в отличии от нефти и низким коэффициентом сорбции газа горными породами. При указанной газоотдаче срок эксплуатации газового месторождения составляет 15 - 20 лет.[21]
Добытый газ перед транспортировкой очищают от механических примесей и капель жидкости в сепараторах различного типа, после чего осушают и очищают от сернистых соединений для предотвращения коррозии газопроводов.
Газы газоконденсатных месторождений, помимо общей очистки, проходят низкотемпературную сепарацию. При этом водяной пар и жидкие углеводороды в газе конденсируются и отделяются от газа за счет резкого перепада давления, после чего конденсат разделяется на воду и углеводородный слой.
Для транспортировки газообразных природных топлив применяют газопроводы диаметром до 1 м, по которым газ под давлением 7 МПа движется со скоростью до 500 метров в минуту. Для компенсации падения давления на всем протяжении газопровода каждые 80-100 км устанавливаются специальные компрессорные станции, оснащенные газоперекачивающим оборудованием.[13]