Природный газ

2 слайд Приро́дный газ — смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.

Природный газ относится к полезным ископаемым. Природный газ в пластовых  условиях (условиях залегания в земных недрах) находится в газообразном состоянии — в виде отдельных скоплений (газовые залежи) или в виде газовой шапки нефтегазовых месторождений, либо в растворённом состоянии в нефти или воде. При стандартных условиях (101,325 кПа и 20 °C) природный газ находится только в газообразном состоянии. Также природный газ может находиться в кристаллическом состоянии в виде естественных газогидратов.

Сэр Гемфри Дэви (ученый-химик) еще  в 1813 г. заключил из своих анализов, что рудничный газ есть смесь  метана CH4 с небольшим количеством  азота N2 и углекислого газа СО2 — то есть, что он качественно тождественен по составу с газом, выделяющимся из болот.

3 слайд Основную часть природного газа составляет метан (CH4) — от 92 до 98 %. В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды — гомологи метана:

этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10). 
а также другие неуглеводородные вещества: водород (H2), сероводород (H2S), диоксид углерода (СО2), азот (N2), гелий (Не).

Чистый природный газ не имеет  цвета и запаха. Для облегчения возможности определения утечки газа, в него в небольшом количестве добавляют одоранты — вещества, имеющие резкий неприятный запах (гнилой капусты, прелого сена, тухлых яиц). Чаще всего в качестве одоранта применяется тиолы, например, этилмеркаптан. При наличии в воздухе 1% природного газа должен ощущаться его запах.

4 слайд Физические свойства

Ориентировочные физические характеристики (зависят от состава; при нормальных условиях, если не указано иное):

Плотность:

от 0,68 до 0,85 кг/м³ (сухой  газообразный); 
400 кг/м³ (жидкий). 
Температура самовозгорания: 650 °C; 
Взрывоопасные концентрации смеси газа с воздухом от 5 % до 15 % объёмных; 
Удельная теплота сгорания: 28—46 МДж/м³ (6,7—11,0 Мкал/м³)  
Октановое число при использовании в двигателях внутреннего сгорания: 120—130. 
Легче воздуха в 1,8 раз, поэтому при утечке не собирается в низинах, а поднимается вверх.

Физико-химические свойства природных газов

Природные газы не имеют  цвета, запаха и вкуса.

Основные показатели горючих газов, которые используются в котельных: состав, теплота сгорания, удельный вес, температура горения и воспламенения, границы взрываемости и скорость распространения пламени.

Природные газы сугубо газовых  месторождений состоят в основном из метана (82…98%) и других углеводородов.

Температура горения отдельных газов составляет 2000 - 2100ºС.  
Границы взрываемости. Газовоздушная смесь, в которой газа находится:

до 5% - не горит;

от 5 до 15% - взрывается;

больше 15% - горит при  подаче воздуха.

Скорость распространения  пламени для природного газа - 0,67 м/сек (метан СН4)

Наличие в помещении  более 20% газа вызывает удушье, скопление  его в закрытом объёме от 5 до 15% может  привести к взрыву газовоздушной  смеси, при неполном сгорании выделяется угарный газ СО, который даже при  небольшой концентрации (0,15%) - отравляющий.

5 слайд Горение

Горение - это реакция, при которой происходит преобразование химической энергии топлива в  тепло.

Горение бывает полным и  неполным. Полное горение происходит при достаточном количестве кислорода. Нехватка его вызывает неполное сгорание, при котором выделяется меньшее количество тепла, чем при полном, и окись углерода (СО), отравляюще действующая на обслуживающий персонал, образовывается сажа, оседающая на поверхности нагрева котла и увеличивающая потери тепла, что приводит к перерасходу топлива и снижению к. п. д. котла, загрязнению атмосферы.

Полноту сгорания топлива  можно определить с помощью газоанализатора  и визуально - по цвету и характеру  пламени:

прозрачно-голубоватое - сгорание полное;

красный или жёлтый - сгорание неполное.

Горение регулируется увеличением  подачи воздуха в топку котла  или уменьшением подачи газа. В  этом процессе используется первичный (смешивается с газом в горелке - до горения) и вторичный (соединяется  с газом или газовоздушной  смесью в топке котла в процессе горения) воздух.

Газообразное топливо  с каждым годом находит все  более широкое применение в различных  отраслях народного хозяйства. В  сельскохозяйственном производстве газообразное топливо широко используется для  технологических (при отоплении  теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей. В последнее время его все больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания.

6 слайд По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:

сгорает в теоретическом количестве воздуха, что обеспечивает высокие  тепловой кпд и температуру горения;

при сгорании не образует нежелательных  продуктов сухой перегонки и  сернистых соединений, копоти и дыма;

сравнительно легко подводится по газопроводам к удаленным объектам потребления и может храниться централизованно;

легко зажигается при любой температуре  окружающего воздуха;

требует сравнительно небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению с другими более  дешевым видом топлива;

может быть использовано в сжатом или сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;

обладает высокими противодетонационными  свойствами;

при сгорании не образует конденсата, что обеспечивает значительное уменьшение износа деталей двигателя и т.п.

7 слайд Вместе с тем газообразное топливо имеет также определенные отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, легкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

Применение газообразных видов  топлива обусловливается их составом и свойствами углеводородной части. Наиболее широко применяются природный  или попутный газ нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов.

Решить важнейшие народнохозяйственные проблемы стабильного обеспечения  автомобильных двигателей эффективными энергоносителями и сокращения потребления  жидкого топлива нефтяного происхождения возможно за счет использования газообразного топлива - сжиженного нефтяного и природного газов.

Для автомобилей используют только высококалорийные или среднекалорийные газы. При работе на низкокалорийном  газе двигатель не развивает необходимой мощности, а также сокращается дальность пробега автомобиля, что экономически невыгодно. Выпускают следующие виды сжатых газов: природный, коксовый механизированный и коксовый обогащенный.

8  слайд 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.

Огромными запасами природного газа обладают Россия (Уренгойское  месторождение), Иран, большинство стран Персидского залива, США, Канада. Из европейских стран стоит отметить Норвегию, Нидерланды. Среди бывших республик Советского Союза большими запасами газа владеют Туркмения, Азербайджан, Узбекистан, 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.

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.

9 слайд Добыча и транспортировка

Природный газ находится  в земле на глубине от 1000 метров до нескольких километров. Сверхглубокой  скважиной недалеко от города Новый  Уренгой получен приток газа с  глубины более 6000 метров.

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.

В 2005 году в России объём  добычи природного газа составил 548 млрд м³. Внутренним потребителям было поставлено 307 млрд м³ через 220 региональных газораспределительных организаций. На территории России расположено 24 хранилища природного газа. Протяжённость магистральных газопроводов России составляет 155 тыс. км.

10 слайд  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.

11 слайд Транспортировка природного газа

В настоящее время  основным видом транспорта является трубопроводный. Газ под давлением 75 атм прокачивается по трубам диаметром до 1,4 м. 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. Для сжижения газ охлаждают при повышенном давлении. 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.

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.

12 слайд 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)