Bandomojo važiavimo alternatyvos: 1 DALIS – Dujų pramonė
70-aisiais metais Wilhelmas Maybachas eksperimentavo su skirtingais vidaus degimo variklių dizainais, pakeitė mechanizmus ir galvojo apie tinkamiausius lydinius atskirų dalių gamybai. Jam dažnai kyla klausimas, kurios iš tada žinomų degių medžiagų būtų tinkamiausios naudoti šilumos varikliuose.
70-aisiais metais Wilhelmas Maybachas eksperimentavo su skirtingais vidaus degimo variklių dizainais, pakeitė mechanizmus ir galvojo apie tinkamiausius lydinius atskirų dalių gamybai. Jam dažnai kyla klausimas, kurios iš tada žinomų degių medžiagų būtų tinkamiausios naudoti šilumos varikliuose.
1875 m., kai jis buvo Gasmotorenfabrik Deutz darbuotojas, Wilhelmas Maybachas nusprendė išbandyti, ar gali varyti dujinį variklį skystuoju kuru – tiksliau, benzinu. Jam kilo mintis patikrinti, kas nutiktų, jei jis uždarytų dujų čiaupą ir priešais įsiurbimo kolektorių padėtų benzine suvilgytą audinio gabalą. Variklis nesustoja, o dirba toliau, kol „išsiurbia“ visą skystį iš audinio. Taip gimė pirmojo improvizuoto „karbiuratoriaus“ idėja, o sukūrus automobilį benzinas tapo pagrindiniu jo kuru.
Aš pasakoju šią istoriją norėdamas priminti, kad prieš pasirodant benzinui kaip alternatyvai kurui, pirmieji varikliai naudojo dujas kaip kurą. Tada kalbėta apie (apšvietimo) dujų naudojimą apšvietimui, gautą šiandien nežinomais metodais, bet apdorojant anglį. Šveicaro Isaaco de Rivaco išrastas variklis, pirmasis „natūraliai įsiurbiantis“ (nesuspaustas) pramoninės klasės etileno „Lenoir“ variklis nuo 1862 m., O šiek tiek vėliau Otto sukurtas klasikinis keturių taktų agregatas dirba su dujomis.
Čia būtina paminėti skirtumą tarp gamtinių dujų ir suskystintųjų naftos dujų. Gamtinėse dujose yra nuo 70 iki 98 % metano, o likusi dalis yra aukštesnės organinės ir neorganinės dujos, tokios kaip etanas, propanas ir butanas, anglies monoksidas ir kt. Naftoje taip pat yra įvairių proporcijų dujų, tačiau šios dujos išsiskiria frakcinio distiliavimo būdu arba yra gaminamos kai kuriais šalutiniais procesais naftos perdirbimo gamyklose. Dujų laukai yra labai skirtingi – grynų dujų arba „sausų“ (tai yra, turinčių daugiausia metano) ir „šlapiųjų“ (turinčių metano, etano, propano, kai kurių kitų sunkesnių dujų ir net „benzino“ – lengvas skystis, labai vertingos frakcijos). . Alyvų rūšys taip pat skiriasi, o dujų koncentracija jose gali būti mažesnė arba didesnė. Laukai dažnai derinami – dujos pakyla virš naftos ir atlieka „dujų kamštelio“ vaidmenį. Į „dangtelio“ ir pagrindinio naftos telkinio sudėtį įeina aukščiau paminėtos medžiagos, o įvairios frakcijos, vaizdžiai tariant, „teka“ viena į kitą. Metanas, naudojamas kaip transporto priemonių kuras, „gaunamas“ iš gamtinių dujų, o mums žinomas propano-butano mišinys – tiek iš gamtinių dujų telkinių, tiek iš naftos telkinių. Apie 6% pasaulio gamtinių dujų pagaminama iš anglies telkinių, kuriuos dažnai lydi dujų telkiniai.
Propanas-butanas scenoje pasirodo kiek paradoksaliai. 1911 metais pasipiktinęs amerikiečių naftos kompanijos klientas nurodė savo draugui, garsiam chemikui daktarui Snellingui išsiaiškinti paslaptingo įvykio priežastis. Kliento pasipiktinimo priežastis yra ta, kad klientas nustemba sužinojęs, kad pusė degalinės bako ką tik užpildyta. Fordas dingo nežinomomis priemonėmis per trumpą kelionę į jo namus. Bakas neteka iš niekur ... Po daugybės eksperimentų daktaras Snellingas atrado, kad paslapties priežastis yra didelis propano ir butano dujų kiekis degaluose, ir netrukus po to jis sukūrė pirmuosius praktinius distiliavimo metodus. juos. Būtent dėl šių esminių pasiekimų daktaras Snellingas dabar laikomas pramonės „tėvu“.
Daug anksčiau, maždaug prieš 3000 metų, piemenys atrado „liepsnojantį šaltinį“ ant Parano kalno Graikijoje. Vėliau šioje „šventoje“ vietoje buvo pastatyta šventykla su liepsnojančiomis kolonomis, o orakulas Delfijus perskaitė jo maldas prieš didingą kolosą, sukeldamas žmonėms susitaikymo, baimės ir susižavėjimo jausmą. Šiandien ši romantika yra prarasta, nes žinome, kad liepsnos šaltinis yra metanas (CH4), tekantis iš uolų plyšių, susijusių su dujų telkinių gyliu. Panašūs gaisrai daugelyje vietų Irake, Irane ir Azerbaidžane prie Kaspijos jūros krantų yra taip pat šimtmečius degantys ir nuo seno žinomi kaip „Amžinosios Persijos liepsnos“.
Po daugelio metų kinai taip pat naudojo laukų dujas, tačiau turėdami labai pragmatišką tikslą – šildyti didelius katilus jūros vandeniu ir išgauti iš jo druską. 1785 metais britai sukūrė metodą metanui gaminti iš anglies (kuris buvo panaudotas pirmuosiuose vidaus degimo varikliuose), o XX amžiaus pradžioje vokiečių chemikai Kekulė ir Stradonitzas užpatentavo sunkesnio skystojo kuro iš jo gamybos būdą.
1881 metais Williamas Hartas išgręžė pirmąjį dujų gręžinį Amerikos mieste Fredonijoje. Hartas ilgą laiką stebėjo burbulus, kylančius į vandens paviršių netoliese esančioje įlankoje, ir nusprendė iškasti duobę nuo žemės iki siūlomo dujų telkinio. Devynių metrų gylyje po paviršiumi jis pasiekė veną, iš kurios išsiveržė dujos, kurias vėliau užfiksavo, o jo naujai įkurta Fredonia Gas Light Company tapo dujų verslo pradininku. Tačiau, nepaisant Harto proveržio, XIX amžiuje naudotos apšvietimo dujos aukščiau aprašytu būdu buvo išgaunamos daugiausia iš anglies – daugiausia dėl to, kad nebuvo galimybių plėtoti gamtinių dujų transportavimo iš telkinių technologijas.
Tačiau pirmoji komercinė naftos gavyba jau tada buvo faktas. Jų istorija prasidėjo JAV 1859 m., o išgautą aliejų sumanė distiliuoti žibalą apšvietimui ir alyvas garo varikliams. Jau tada žmonės susidūrė su griaunamąja gamtinių dujų galia, tūkstančius metų suspaustų žemės gelmėse. Edwino Drake'o grupės pionieriai vos nežuvo per pirmuosius ekspromtu atliktas gręžimas netoli Titusvilio, Pensilvanijos valstijoje, kai pro plyšį nutekėjo dujos, kilo milžiniškas gaisras, kuris nusinešė visą įrangą. Šiandien naftos ir dujų telkinių eksploatavimą lydi specialių priemonių sistema, blokuojanti laisvą degiųjų dujų srautą, tačiau gaisrai ir sprogimai nėra neįprasti. Tačiau tos pačios dujos daugeliu atvejų naudojamos kaip savotiškas „siurblys“, kuris išstumia naftą į paviršių, o jos slėgiui nukritus, naftininkai pradeda ieškoti ir naudoti kitus „juodojo aukso“ išgavimo būdus.
Angliavandenilių dujų pasaulis
1885 m., praėjus ketveriems metams po Williamo Harto pirmojo dujų gręžimo, kitas amerikietis Robertas Bunsenas išrado įrenginį, kuris vėliau tapo žinomas kaip „Bunseno degiklis“. Išradimas skirtas dozuoti ir sumaišyti dujas ir orą tinkamomis proporcijomis, kurias vėliau galima panaudoti saugiam degimui – būtent šis degiklis šiandien yra šiuolaikinių deguonies purkštukų, skirtų krosnims ir šildymo prietaisams, pagrindas. Bunseno išradimas atvėrė naujas gamtinių dujų panaudojimo galimybes, tačiau nors pirmasis dujotiekis buvo nutiestas dar 1891 m., komercinės reikšmės mėlynasis kuras įgavo tik iki Antrojo pasaulinio karo.
Būtent karo metais buvo sukurti pakankamai patikimi pjovimo ir suvirinimo būdai, kurie leido nutiesti saugius metalinius dujotiekius. Tūkstančiai kilometrų jų buvo nutiesta Amerikoje po karo, o vamzdynas iš Libijos į Italiją nutiestas septintajame dešimtmetyje. Dideli gamtinių dujų telkiniai buvo aptikti ir Nyderlanduose. Šie du faktai paaiškina geresnę suslėgtų gamtinių dujų (SGD) ir suskystintųjų naftos dujų (SND) kaip transporto priemonių kuro naudojimo infrastruktūrą šiose dviejose šalyse. Didžiulę strateginę svarbą, kurią pradeda įgyti gamtinės dujos, patvirtina toks faktas – kai 60-aisiais Reiganas nusprendė sunaikinti „Blogio imperiją“, jis vetavo aukštųjų technologijų įrangos tiekimą dujotiekiui tiesti iš SSRS į Europą. Europos poreikiams kompensuoti spartėja dujotiekio tiesimas iš Norvegijos sektoriaus Šiaurės jūroje į žemyninę Europą, o SSRS kabo. Tuo metu dujų eksportas buvo pagrindinis Sovietų Sąjungos kietos valiutos šaltinis, o dėl Reagano priemonių atsiradęs didelis trūkumas netrukus atvedė prie gerai žinomų 80-ųjų pradžios istorinių įvykių.
Šiandien demokratinė Rusija yra pagrindinė gamtinių dujų tiekėja Vokietijos energijos poreikiams tenkinti ir svarbi pasaulinė šios srities veikėja. Gamtinių dujų svarba pradėjo augti po dviejų 70-ojo dešimtmečio naftos krizių ir šiandien yra vienas pagrindinių geostrateginės svarbos energijos išteklių. Šiuo metu gamtinės dujos yra pigiausias kuras šildymui, naudojamos kaip žaliava chemijos pramonėje, elektros gamybai, buitinei technikai, o jų „pusbrolio“ propano galima rasti net dezodoranto buteliukuose kaip dezodorantas. ozono sluoksnį ardančių fluoro junginių pakaitalas. Gamtinių dujų suvartojimas nuolat auga, o dujotiekių tinklas ilgėja. Kalbant apie iki šiol sukurtą infrastruktūrą, skirtą šio kuro naudojimui automobiliuose, viskas atsilieka.
Jau pasakojome apie keistus sprendimus, kuriuos Antrojo pasaulinio karo metais priėmė japonai, gamindami taip reikalingą ir retą kurą, taip pat paminėjome sintetinio benzino gamybos programą Vokietijoje. Tačiau mažai žinoma apie tai, kad lieso karo metais Vokietijoje buvo gana tikri automobiliai, važiavę... medžiu! Šiuo atveju tai yra ne grįžimas prie seno gero garo variklio, o vidaus degimo variklių, iš pradžių sukurtų dirbti su benzinu. Tiesą sakant, idėja nėra labai sudėtinga, tačiau reikalauja naudoti didelių gabaritų, sunkių ir pavojingų dujų generatorių. Anglis, medžio anglis ar tiesiog mediena dedama į specialią ir nelabai sudėtingą elektrinę. Jo apačioje jie dega, kai nėra deguonies, o esant aukštai temperatūrai ir drėgmei, išsiskiria dujos, kuriose yra anglies monoksido, vandenilio ir metano. Tada jis atšaldomas, išvalomas ir ventiliatoriumi tiekiamas į variklio įsiurbimo kolektorius, kad būtų naudojamas kaip kuras. Žinoma, šių mašinų vairuotojai atliko sudėtingas ir sunkias ugniagesių funkcijas – katilą reikėjo periodiškai krauti ir valyti, o rūkymo mašinos tikrai šiek tiek atrodė kaip garvežiai.
Šiandien dujų žvalgybai reikalingos pažangiausios pasaulyje technologijos, o gamtinių dujų ir naftos gavyba yra vienas didžiausių iššūkių, su kuriuo susiduria mokslas ir technologijos. Šis faktas ypač aktualus JAV, kur senuose ar apleistuose telkiniuose likusioms dujoms „siurbti“, taip pat vadinamosioms „sandarioms“ dujoms išgauti pasitelkiami vis daugiau netradicinių metodų. Pasak mokslininkų, dabar prireiks dvigubai daugiau gręžinių, kad būtų pagamintos dujos 1985 m. technologijos lygiu. Metodų efektyvumas labai padidėja, o įrangos svoris sumažėjo 75%. Gravimetrų, seisminių technologijų ir lazerinių palydovų duomenims analizuoti naudojamos vis sudėtingesnės kompiuterinės programos, iš kurių kuriami trimačiai kompiuterizuoti rezervuarų žemėlapiai. Taip pat sukurti vadinamieji 4D vaizdai, kurių dėka galima vizualizuoti nuosėdų formas ir judėjimą laikui bėgant. Tačiau gamtinių dujų gamyboje jūroje išlieka modernūs įrenginiai – tik dalis žmonijos pažangos šioje srityje – pasaulinės padėties nustatymo sistemos, skirtos gręžimui, itin gilus gręžimas, vandenyno dugno vamzdynai ir suskystintos valymo sistemos. anglies monoksidas ir smėlis.
Naftos rafinavimas, norint pagaminti aukštos kokybės benziną, yra daug sudėtingesnė užduotis nei perdirbti dujas. Kita vertus, dujų transportavimas jūra yra daug brangesnis ir sudėtingesnis. SND tanklaiviai yra gana sudėtingo dizaino, tačiau SGD transporteriai yra stulbinantis kūrinys. Butanas suskystėja esant -2 laipsniams, o propanas -42 laipsnių arba palyginti žemo slėgio. Tačiau metanui suskystinti reikia -165 laipsnių! Vadinasi, SND tanklaivių statybai reikalingos paprastesnės nei gamtinių dujų kompresorinės stotys ir talpyklos, kurios suprojektuotos atlaikyti ne itin aukštą 20-25 barų slėgį. Priešingai, suskystintų gamtinių dujų tanklaiviuose yra nuolatinio aušinimo sistemos ir itin izoliuotos talpyklos – iš tikrųjų šie kolosai yra didžiausi pasaulyje kriogeniniai šaldytuvai. Tačiau dalis dujų sugeba „palikti“ šiuos įrenginius, tačiau kita sistema iškart jas pagauna ir tiekia į laivo variklio cilindrus.
Dėl minėtų priežasčių visiškai suprantama, kad jau 1927 metais technologija leido išlikti pirmiesiems propano-butano bakams. Tai Olandijos-English Shell, kuri tuo metu jau buvo milžiniška įmonė, darbas. Jos bosas Kesleris – pažangus žmogus ir eksperimentuotojas, seniai svajojęs kaip nors panaudoti didžiulį dujų kiekį, kuris iki šiol nutekėjo į atmosferą arba sudegė naftos perdirbimo gamyklose. Jo sumanymu ir iniciatyva buvo sukurtas pirmasis atviroje jūroje esantis 4700 tonų keliamosios galios laivas, gabenantis egzotiškai atrodančių ir įspūdingų matmenų angliavandenilių dujas virš denio rezervuarų.
Tačiau reikia dar trisdešimt dvejų metų, kad būtų pastatytas pirmasis metano vežėjas Methane Pioneer, pastatytas dujų bendrovės Constock International Methane Limited užsakymu. „Shell“, kuri jau turi stabilią SND gamybos ir platinimo infrastruktūrą, nusipirko šią įmonę ir labai greitai buvo pastatyti dar du didžiuliai tanklaiviai – „Shell“ pradėjo plėtoti suskystintų gamtinių dujų verslą. Kai Anglijai priklausančios Konvėjaus salos, kurioje įmonė stato metano saugyklas, gyventojai suvokia, kas iš tikrųjų saugoma ir gabenama į jų salą, jie būna šokiruoti ir išsigandę, manydami (ir teisingai), kad laivai tėra milžiniškos bombos. Tada saugumo problema buvo tikrai aktuali, tačiau šiandien tanklaiviai, skirti gabenti suskystintą metaną, yra itin saugūs ir yra ne tik vieni saugiausių, bet ir vieni draugiškiausių aplinkai jūrų laivų – nepalyginamai saugesni aplinkai nei naftos tanklaiviai. Didžiausias tanklaivių parko užsakovas yra Japonija, kuri praktiškai neturi vietinių energijos šaltinių, o tiesti dujotiekius į salą – labai sunkus reikalas. Japonija taip pat turi didžiausią dujinių transporto priemonių „parką“. Pagrindiniai suskystintų gamtinių dujų (SGD) tiekėjai šiandien yra JAV, Omanas ir Kataras, Kanada.
Pastaruoju metu vis labiau populiarėja skystųjų angliavandenilių gamybos iš gamtinių dujų verslas. Tai daugiausia itin švarus dyzelinas, susintetintas iš metano, ir tikimasi, kad ši pramonė ateityje vystysis sparčiau. Pavyzdžiui, Bušo energetikos politika reikalauja naudoti vietinius energijos šaltinius, o Aliaskoje yra dideli gamtinių dujų telkiniai. Šiuos procesus skatina gana aukštos naftos kainos, kurios sukuria prielaidas brangių technologijų plėtrai – GTL (Gas-to-Liquids) yra tik vienas iš jų.
Iš esmės GTL nėra nauja technologija. Ją XX a. 20-ajame dešimtmetyje sukūrė vokiečių chemikai Franzas Fischeris ir Hansas Tropschas, kurie buvo paminėti ankstesniuose numeriuose kaip jų sintetinės programos dalis. Tačiau, priešingai nei destruktyvus anglies hidrinimas, čia vyksta lengvųjų molekulių sujungimo į ilgesnius ryšius procesai. Pietų Afrika tokį kurą pramoniniu mastu gamina nuo šeštojo dešimtmečio. Tačiau susidomėjimas jais pastaraisiais metais išaugo ieškant naujų galimybių sumažinti kenksmingų degalų emisijas JAV. Didžiosios naftos kompanijos, tokios kaip BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol ir Royal Dutch/Shell, išleidžia milžiniškas sumas kurdamos su GTL susijusias technologijas, todėl dėl šių pokyčių politiniai ir socialiniai aspektai vis dažniau aptariami paskatų veidas. mokesčiai švaraus kuro vartotojams. Šie degalai leis daugeliui dyzelinio kuro vartotojų jį pakeisti ekologiškesniu ir sumažins automobilių įmonių sąnaudas, kad jos atitiktų naujus teisės aktais nustatytus kenksmingų išmetamųjų teršalų kiekius. Neseniai atlikti išsamūs bandymai rodo, kad GTL degalai sumažina anglies monoksido kiekį 50%, angliavandenilių – 90%, o suodžius – 63%, nereikalaujant dyzelino kietųjų dalelių filtrų. Be to, mažai sieros turintis šių degalų pobūdis leidžia naudoti papildomus katalizatorius, kurie gali dar labiau sumažinti transporto priemonių išmetamųjų teršalų kiekį.
Svarbus GTL degalų pranašumas yra tas, kad jis gali būti naudojamas tiesiogiai dyzeliniuose varikliuose be modifikacijų vienetuose. Jie taip pat gali būti maišomi su degalais, turinčiais 30–60 ppm sieros. Skirtingai nei gamtinės dujos ir suskystintos naftos dujos, esamos transporto infrastruktūros nereikia keisti skystuoju kuru. Pasak „Rentech“ prezidento Deniso Yakubsono, tokio tipo degalai idealiai galėtų papildyti ekologišką dyzelinių variklių ekonominį potencialą, o „Shell“ šiuo metu Katare stato didelę 22,3 milijardų dolerių vertės gamyklą, kurios projektinė talpa yra XNUMX milijono litrų sintetinio kuro per dieną. ... Didžiausia šio kuro problema kyla dėl didžiulių investicijų į naujus įrenginius ir paprastai brangaus gamybos proceso.
Biodujos
Tačiau metano šaltinis yra ne tik požeminiai telkiniai. 1808 m. Humphry Davy eksperimentavo su šiaudais, dedamais į vakuuminę retortą, ir pagamino biodujas, kurių daugiausia buvo metano, anglies dioksido, vandenilio ir azoto. Apie biodujas savo romane apie „prarasta salą“ kalba ir Danielis Defoe. Tačiau šios idėjos istorija dar senesnė – 1776 amžiuje Janas Baptita Van Helmontas tikėjo, kad skaidant organines medžiagas galima gauti degiųjų dujų, o grafas Aleksandras Volta (baterijos kūrėjas) taip pat padarė panašias išvadas. 1859 metais. Pirmoji biodujų gamykla pradėjo veikti Bombėjuje ir buvo įkurta tais pačiais metais, kai Edwin Drake pagamino pirmąjį sėkmingą naftos gręžinį. Indijos gamykla apdoroja išmatas ir tiekia dujas gatvių lempoms.
Praeis daug laiko, kol bus išsamiai suprantami ir ištirti cheminiai procesai gaminant biodujas. Tai tapo įmanoma tik XX amžiaus 30-aisiais ir tai yra mikrobiologijos raidos šuolio rezultatas. Pasirodo, kad šį procesą sukelia anaerobinės bakterijos, kurios yra viena iš seniausių gyvybės formų Žemėje. Jie „šlifuoja“ organines medžiagas anaerobinėje aplinkoje (aerobinis skaidymas reikalauja daug deguonies ir generuoja šilumą). Tokie procesai natūraliai vyksta ir pelkėse, pelkėse, žaliaviniuose laukuose, dengtose mariose ir kt.
Šiuolaikinės biodujų gamybos sistemos kai kuriose šalyse populiarėja, o Švedija pirmauja tiek biodujų gavybos, tiek ir jais važiuoti pritaikytų transporto priemonių srityje. Sintezės blokuose naudojami specialiai sukurti biogeneratoriai, palyginti nebrangūs ir paprasti įrenginiai, sukuriantys tinkamą aplinką bakterijoms, kurios, priklausomai nuo rūšies, efektyviausiai „dirba“ 40–60 laipsnių temperatūroje. Galutiniuose biodujų gamyklų produktuose, be dujų, taip pat yra junginių, kuriuose gausu amoniako, fosforo ir kitų elementų, tinkamų naudoti žemės ūkyje kaip dirvožemio trąšas.
