Testa brauciena alternatīvas: 1. DAĻA – Gāzes rūpniecība
70. gados Vilhelms Mebahs eksperimentēja ar dažādiem iekšdedzes dzinēju dizainiem, mainīja mehānismus un domāja par piemērotākajiem sakausējumiem atsevišķu detaļu ražošanai. Viņam bieži rodas jautājums, kuras no toreiz zināmajām viegli uzliesmojošām vielām būtu vispiemērotākās izmantošanai siltuma dzinējos.
70. gados Vilhelms Mebahs eksperimentēja ar dažādiem iekšdedzes dzinēju dizainiem, mainīja mehānismus un domāja par piemērotākajiem sakausējumiem atsevišķu detaļu ražošanai. Viņam bieži rodas jautājums, kuras no toreiz zināmajām viegli uzliesmojošām vielām būtu vispiemērotākās izmantošanai siltuma dzinējos.
1875. gadā, būdams Gasmotorenfabrik Deutz darbinieks, Vilhelms Meibahs nolēma pārbaudīt, vai viņš var darbināt gāzes dzinēju, izmantojot šķidro degvielu vai, pareizāk sakot, benzīnu. Viņam ienāca prātā paskatīties, kas notiktu, ja viņš aizvērtu gāzes vārstu un tā vietā ieplūdes kolektora priekšā noliktu benzīnā samērcētu auduma gabalu. Dzinējs neapstājas, bet turpina strādāt, līdz “izsūc” no audiem visu šķidrumu. Tā radās ideja par pirmo improvizēto “karburatoru”, un pēc automašīnas radīšanas par galveno degvielu kļuva benzīns.
Es stāstu šo stāstu, lai atgādinātu jums, ka pirms benzīns parādījās kā alternatīva degvielai, pirmie dzinēji kā degvielu izmantoja gāzi. Tad runa bija par (apgaismojuma) gāzes izmantošanu apgaismojumam, ko iegūst ar mūsdienās vēl nezināmām metodēm, bet gan ar ogļu apstrādi. Dzinējs, kuru izgudroja šveicietis Īzaks de Rivaks, ir pirmais "dabiski iesūknētais" (nesaspiestais) rūpnieciskās kvalitātes etilēna Lenoir motors kopš 1862. gada, un klasiskais četrtaktu agregāts, kuru Oto izveidoja nedaudz vēlāk, darbojas ar gāzi.
Šeit ir jāpiemin atšķirība starp dabasgāzi un sašķidrināto naftas gāzi. Dabasgāze satur no 70 līdz 98% metāna, bet pārējais ir augstākas organiskās un neorganiskās gāzes, piemēram, etāns, propāns un butāns, oglekļa monoksīds un citas. Nafta satur arī gāzes dažādās proporcijās, taču šīs gāzes tiek atbrīvotas frakcionētas destilācijas rezultātā vai rodas no noteiktiem blakusproduktiem rafinēšanas rūpnīcās. Gāzes nogulsnes ir ļoti dažādas - tīra gāze jeb “sausā” (tas ir, satur galvenokārt metānu) un “slapjā” (satur metānu, etānu, propānu, dažas citas smagākas gāzes un pat “benzīnu” – viegls šķidrums, ļoti vērtīgas frakcijas) . Arī eļļu veidi ir dažādi, un gāzu koncentrācija tajās var būt gan zemāka, gan lielāka. Lauki bieži tiek apvienoti - gāze paceļas virs naftas un darbojas kā “gāzes vāciņš”. “Cepures” un galvenā naftas lauka sastāvā ietilpst iepriekš minētās vielas, un dažādas frakcijas, tēlaini izsakoties, “ieplūst” viena otrā. Metāns, ko izmanto kā transportlīdzekļu degvielu, “nāk” no dabasgāzes, un mums zināmais propāna-butāna maisījums nāk gan no dabasgāzes laukiem, gan naftas laukiem. Apmēram 6% no pasaules dabasgāzes tiek ražoti no ogļu atradnēm, kuras bieži vien pavada gāzes atradnes.
Propāns-butāns uz skatuves parādās nedaudz paradoksālā veidā. 1911. gadā kāds sašutis amerikāņu naftas kompānijas klients uzdeva savam draugam, slavenajam ķīmiķim doktoram Snellingam noskaidrot noslēpumainā notikuma iemeslus. Klienta sašutuma iemesls ir tas, ka klients ir pārsteigts, uzzinot, ka puse no degvielas uzpildes stacijas tvertnes ir tikko piepildīta. Forda Viņa pazuda nezināmu līdzekļu veidā īsā ceļojumā uz viņa māju. Tvertne neplūst no nekurienes ... Pēc daudziem eksperimentiem Dr Snelling atklāja, ka noslēpuma iemesls ir augsts propāna un butāna gāzu saturs degvielā, un drīz pēc tam viņš izstrādāja pirmās praktiskās destilācijas metodes viņus. Šo fundamentālo sasniegumu dēļ doktors Snelling tagad tiek uzskatīts par nozares "tēvu".
Daudz agrāk, apmēram pirms 3000 gadiem, gani Grieķijā, Paranas kalnā, atklāja "liesmojošu avotu". Vēlāk šajā "svētajā" vietā tika uzcelts templis ar liesmojošām kolonnām, un orākuls Delfijs skaitīja savas lūgšanas majestātiskā kolosa priekšā, liekot cilvēkiem izjust samierināšanos, bailes un apbrīnu. Mūsdienās daļa šīs romantikas ir zaudēta, jo mēs zinām, ka liesmas avots ir metāns (CH4), kas plūst no iežu plaisām, kas saistītas ar gāzes lauku dziļumiem. Irkas, Irānā un Azerbaidžānā pie Kaspijas jūras krastiem daudzviet ir līdzīgi ugunsgrēki, kas arī gadsimtiem ilgi deg un jau sen ir pazīstami kā "Persijas mūžīgās liesmas".
Daudzus gadus vēlāk ķīnieši izmantoja arī gāzes no laukiem, taču ļoti pragmatiskam mērķim - lai ar jūras ūdeni sildītu lielus katlus un no tā iegūtu sāli. 1785. gadā briti radīja metodi metāna iegūšanai no oglēm (kas tika izmantots pirmajos iekšdedzes dzinējos), un divdesmitā gadsimta sākumā vācu ķīmiķi Kekule un Stradonics patentēja procesu smagākas šķidrās degvielas iegūšanai no tā.
1881. gadā Viljams Hārts urbja pirmo gāzes urbumu Amerikas pilsētā Fredonijā. Hārts ilgu laiku vēroja burbuļus, kas paceļas ūdens virspusē tuvējā līcī, un nolēma izrakt caurumu no zemes līdz iecerētajam gāzes laukam. Deviņus metrus zem virsmas viņš sasniedza dzīslu, no kuras izplūda gāze, ko viņš vēlāk notvēra, un viņa jaunizveidotā Fredonia Gas Light Company kļuva par pionieri gāzes biznesā. Tomēr, neraugoties uz Hārta izrāvienu, XNUMX. gadsimtā izmantotā apgaismojuma gāze galvenokārt tika ražota no oglēm, izmantojot iepriekš minēto metodi – galvenokārt tāpēc, ka nebija iespējas izstrādāt tehnoloģijas dabasgāzes transportēšanai no laukiem.
Taču pirmā rūpnieciskā naftas ieguve jau toreiz bija fakts. Viņu stāsts sākās ASV 1859. gadā, un ideja bija izmantot iegūto eļļu, lai destilēt petroleju apgaismojumam un eļļas tvaika dzinējiem. Pat tad cilvēki saskārās ar dabasgāzes postošo spēku, kas tūkstošiem gadu bija saspiests zemes zarnās. Edvina Dreika grupas pionieri gandrīz gāja bojā savā pirmajā improvizētajā urbumā netālu no Titusvilas, Pensilvānijas štatā, kad no izrāviena noplūda gāze un izcēlās milzīgs ugunsgrēks, iznīcinot visu aprīkojumu. Mūsdienās naftas un gāzes atradņu izmantošanu pavada īpašu pasākumu sistēma, lai bloķētu uzliesmojošas gāzes brīvu plūsmu, taču ugunsgrēki un sprādzieni nav nekas neparasts. Tomēr šī pati gāze daudzos gadījumos tiek izmantota kā sava veida "sūknis", kas izspiež eļļu uz virsmas, un, kad tās spiediens pazeminās, naftas darbinieki sāk meklēt un izmantot citas metodes, lai iegūtu "melno zeltu".
Ogļūdeņražu gāzu pasaule
1885. gadā, četrus gadus pēc Viljama Hārta pirmās gāzes urbšanas, cits amerikānis Roberts Bunsens izgudroja ierīci, kas vēlāk kļuva pazīstama kā "Bunsena degli". Izgudrojums kalpo gāzes un gaisa dozēšanai un sajaukšanai piemērotā proporcijā, ko pēc tam var izmantot drošai sadedzināšanai – šis deglis mūsdienās ir modernu skābekļa sprauslu pamats krāsnīm un apkures ierīcēm. Bunsena izgudrojums pavēra jaunas iespējas dabasgāzes izmantošanā, taču, lai gan pirmais gāzes vads tika izbūvēts 1891. gadā, zilā degviela rūpnieciski nozīmīgi kļuva tikai XNUMX. pasaules karā.
Tieši kara laikā tika radītas diezgan uzticamas griešanas un metināšanas metodes, kas ļāva izbūvēt drošus metāla gāzes vadus. Tūkstošiem kilometru no tiem pēc kara tika uzbūvēti Amerikā, bet 60. gados tika izbūvēts cauruļvads no Lībijas uz Itāliju. Lieli dabasgāzes atradnes atklātas arī Nīderlandē. Šie divi fakti izskaidro labākas infrastruktūras pieejamību saspiestās dabasgāzes (CNG) un sašķidrinātās naftas gāzes (LPG) izmantošanai kā transportlīdzekļu degvielai šajās divās valstīs. Milzīgo stratēģisko nozīmi, ko sāk iegūt dabasgāze, apstiprina šāds fakts - kad Reigans 80. gados nolēma iznīcināt “Ļaunuma impēriju”, viņš uzlika veto augsto tehnoloģiju aprīkojuma piegādei gāzes vada būvniecībai no PSRS uz Eiropu. Lai kompensētu Eiropas vajadzības, tiek paātrināta gāzesvada izbūve no Ziemeļjūras Norvēģijas sektora uz kontinentālo Eiropu, kamēr PSRS karājas. Tajā laikā gāzes eksports bija galvenais Padomju Savienības cietās valūtas avots, un nopietnais deficīts, ko izraisīja Reigana pasākumi, drīz vien noveda pie slavenajiem vēsturiskajiem notikumiem 90. gadu sākumā.
Mūsdienās demokrātiskā Krievija ir galvenais dabasgāzes piegādātājs Vācijas enerģētikas vajadzībām un nozīmīgs globālais spēlētājs šajā jomā. Dabasgāzes nozīme sāka pieaugt pēc divām 70. gadu naftas krīzēm, un mūsdienās tā ir viens no galvenajiem ģeostratēģiskas nozīmes energoresursiem. Šobrīd dabasgāze ir lētākais kurināmais, ko izmanto kā izejvielu ķīmiskajā rūpniecībā, elektroenerģijas ražošanai, sadzīves tehnikai, un tās “brālēns” propāns ir atrodams pat dezodorantu pudelītēs kā dezodorants. ozona slāni noārdošo fluora savienojumu aizstājējs. Dabasgāzes patēriņš nepārtraukti pieaug, un gāzes cauruļvadu tīkls kļūst garāks. Kas attiecas uz līdz šim izbūvēto infrastruktūru, lai izmantotu šo degvielu automašīnās, tad viss ir tālu aiz muguras.
Mēs jau esam stāstījuši par dīvainajiem lēmumiem, ko japāņi pieņēma, ražojot tik ļoti nepieciešamo un trūcīgo degvielu Otrā pasaules kara laikā, un esam pieminējuši arī Vācijas sintētiskā benzīna programmu. Taču maz ir zināms par to, ka vājā kara gados Vācijā bija ļoti reālas mašīnas, kuras darbināja... koks! Šajā gadījumā tā nav atgriešanās pie vecā labā tvaika dzinēja, bet gan iekšdedzes dzinēji, kas sākotnēji paredzēti darbam ar benzīnu. Patiesībā ideja nav īpaši sarežģīta, taču tā prasa izmantot apjomīgu, smagu un bīstamu gāzes ģeneratoru sistēmu. Ogles, kokogles vai vienkārši koksni ievieto īpašā un ne pārāk sarežģītā elektrostacijā. Tās apakšā tie deg bez skābekļa, un augstā temperatūrā un mitrumā tie izdala gāzi, kas satur oglekļa monoksīdu, ūdeņradi un metānu. Pēc tam tas tiek atdzesēts, iztīrīts un ventilējams motora ieplūdes kolektoros, lai to izmantotu kā degvielu. Protams, šo transportlīdzekļu vadītāji veica sarežģītās un grūtās ugunsdzēsēju funkcijas - periodiski bija jāuzlādē un jātīra apkures katls, un kūpināšanas mašīnas patiesībā izskatījās nedaudz pēc tvaika lokomotīvēm.
Mūsdienās gāzes izpētei ir vajadzīgas dažas no pasaulē sarežģītākajām tehnoloģijām, un dabasgāzes un naftas ieguve ir viens no lielākajiem izaicinājumiem, ar ko saskaras zinātne un tehnoloģija. Īpaši šis fakts attiecas uz Amerikas Savienotajām Valstīm, kur arvien vairāk tiek izmantotas netradicionālas metodes, lai "iesūktu" gāzi, kas palikusi vecās vai pamestās atradnēs, kā arī iegūta tā sauktā "savilktā" gāze. Zinātnieki lēš, ka gāzes ražošanai 1985. gada tehnoloģiju līmenī tagad būs nepieciešams divreiz vairāk urbšanas. Metožu efektivitāte ir ievērojami palielināta, un iekārtu svars ir samazināts par 75%. Arvien sarežģītākas datorprogrammas tiek izmantotas, lai analizētu datus no gravimetriem, seismiskajām tehnoloģijām un lāzera pavadoņiem, no kuriem tiek veidotas datorizētas 4D rezervuāru kartes. Ir izveidoti arī tā sauktie XNUMXD attēli, pateicoties kuriem iespējams vizualizēt nogulumu formas un kustības laika gaitā. Tomēr vismodernākās iekārtas paliek dabasgāzes ražošanai jūrā – tikai daļa no cilvēces progresa šajā jomā ir globālās urbumu pozicionēšanas sistēmas, īpaši dziļi urbumi, okeāna dibena cauruļvadi un sašķidrināto spraugu sistēmas. oglekļa monoksīds un smiltis.
Naftas rafinēšana augstas kvalitātes benzīna ražošanai ir daudz sarežģītāks uzdevums nekā gāzu pārstrāde. No otras puses, gāzes transportēšana pa jūru izrādās daudz dārgāka un sarežģītāka. Sašķidrinātās naftas gāzes tankkuģiem ir diezgan sarežģīts dizains, taču SDG tankkuģi ir satriecošs radījums. Butāns sašķidrinās -2 grādos, bet propāns -42 grādos jeb salīdzinoši zemā spiedienā. Taču, lai sašķidrinātu metānu, nepieciešami -165 grādi! Līdz ar to sašķidrinātās naftas gāzes tankkuģu būvniecībai ir nepieciešamas vienkāršākas kompresoru stacijas nekā dabasgāzei un cisternas, kas paredzētas ne īpaši augstu 20-25 bāru spiediena izturēšanai. Turpretim sašķidrinātās dabasgāzes tankkuģi ir aprīkoti ar nepārtrauktas dzesēšanas sistēmām un īpaši izolētām tvertnēm – būtībā pasaulē lielākajiem kriogēnajiem ledusskapjiem. Tomēr daļai gāzes no šīm iekārtām izdodas “aizbēgt”, bet cita sistēma to uzreiz uztver un piegādā kuģa dzinēju cilindriem.
Iepriekš minēto iemeslu dēļ ir pilnīgi saprotams, ka jau 1927. gadā tehnoloģija ļāva izdzīvot pirmajām propāna-butāna tvertnēm. Tas ir holandiešu-angļu Shell darbs, kas tajā laikā jau bija milzu uzņēmums. Viņas priekšnieks Keslers ir vizionārs un eksperimentālists, kurš jau sen ir sapņojis kaut kā izmantot milzīgo gāzes daudzumu, kas joprojām noplūst atmosfērā vai sadedzina naftas pārstrādes rūpnīcās. Pēc viņa idejas un iniciatīvas tika izveidots pirmais jūras kuģis ar 4700 tonnu kravnesību ogļūdeņražu gāzu transportēšanai ar eksotisku izskatu un iespaidīgiem izmēriem virs klāja tvertnēm.
Tomēr ir nepieciešami vēl trīsdesmit divi gadi, lai uzbūvētu pirmo metāna nesēju Methane Pioneer, kas būvēts gāzes uzņēmumam Constock International Methane Limited. Shell, kam jau bija stabila infrastruktūra sašķidrinātās gāzes ražošanai un izplatīšanai, iegādājās šo uzņēmumu, un pavisam drīz tika uzbūvēti vēl divi milzīgi tankkuģi - Shell sāka attīstīt sašķidrinātās dabasgāzes biznesu. Kad Anglijai piederošās Konvejas salas, kur uzņēmums būvē metāna noliktavas, iedzīvotāji saprot, kas patiesībā tiek glabāts un transportēts uz viņu salu, viņi ir šokēti un nobijušies, domājot (pareizi), ka kuģi ir tikai milzu bumbas. Toreiz drošības jautājums bija patiešām aktuāls, taču mūsdienās sašķidrinātā metāna tankkuģi ir ārkārtīgi droši un ir ne tikai vieni no drošākajiem, bet arī vieni no videi draudzīgākajiem jūras kuģiem – videi nesalīdzināmi drošāki par naftas tankkuģiem. Lielākais tankkuģu flotes klients ir Japāna, kurai praktiski nav vietējo enerģijas avotu, un gāzes vadu izbūve uz salu ir ļoti sarežģīts pasākums. Japānā ir arī lielākais gāzes transportlīdzekļu parks. Mūsdienās galvenie sašķidrinātās dabasgāzes (SDG) piegādātāji ir ASV, Omāna un Katara, Kanāda.
Pēdējā laikā šķidro ogļūdeņražu ražošana no dabasgāzes kļūst arvien populārāka. Tā galvenokārt ir īpaši tīra dīzeļdegviela, kas sintezēta no metāna, un paredzams, ka šī nozare nākotnē pieaugs paātrinātā tempā. Piemēram, Buša enerģētikas politika prasa vietējos enerģijas avotus, un Aļaskā ir lielas dabasgāzes atradnes. Šos procesus stimulē diezgan augstās naftas cenas, kas rada priekšnoteikumus dārgu tehnoloģiju attīstībai – GTL (Gas-to-Liquids) ir tikai viens no tiem.
Principā GTL nav jauna tehnoloģija. To 20. gados izveidoja vācu ķīmiķi Francs Fišers un Hanss Tropss, kuri tika minēti iepriekšējos izdevumos kā daļa no savas sintētiskās programmas. Tomēr atšķirībā no ogļu destruktīvās hidrogenēšanas šeit notiek gaismas molekulu apvienošanas procesi garākās saitēs. Dienvidāfrika šo degvielu rūpnieciskos daudzumos ražo kopš 50. gadiem. Taču interese par tiem pēdējos gados pieaugusi, meklējot jaunas iespējas samazināt kaitīgās degvielas emisijas ASV. Lielākie naftas uzņēmumi, piemēram, BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol un Royal Dutch/Shell, tērē milzīgas summas ar GTL saistītu tehnoloģiju izstrādei, un šo notikumu rezultātā pieaug diskusijas par politiskajiem un sociālajiem aspektiem. stimulu seja. nodokļi tīras degvielas patērētājiem. Šāda veida degviela daudziem patērētājiem ļaus aizstāt dīzeļdegvielu ar tīrāku degvielu un samazinās automašīnu uzņēmumu izmaksas, lai sasniegtu jaunus likumā noteiktos izmešu līmeņus. Jaunākās padziļinātās pārbaudes liecina, ka GTL degviela samazina oglekļa monoksīda līmeni par 90%, ogļūdeņražu līmeni par 63% un sodrēju par 23%, neizmantojot makrodaļiņu filtrus. Turklāt šīs degvielas zemais sēra saturs ļauj izmantot papildu katalizatorus, kas var vēl vairāk samazināt kaitīgos transportlīdzekļu izmešus.
Svarīga GTL degvielas priekšrocība ir tā, ka to var izmantot tieši dīzeļdzinējos bez jebkādām modifikācijām vienībās. Tos var sajaukt arī ar degvielu, kas satur sēru no 30 līdz 60 ppm. Atšķirībā no dabasgāzes un sašķidrinātām naftas gāzēm, nav nepieciešams pārveidot esošo transporta infrastruktūru, lai pārvadātu šķidro degvielu. Pēc Rentech prezidenta Denisa Jakubsona domām, šāda veida degviela ideālā gadījumā varētu papildināt videi draudzīgu dīzeļdzinēju ekonomisko potenciālu, un Shell pašlaik Katarā būvē lielu rūpnīcu 22,3 miljardu dolāru vērtībā ar projektēto jaudu XNUMX miljoni litru sintētiskās degvielas dienā. ... Lielākā problēma ar šīm degvielām rodas no milzīgām investīcijām, kas nepieciešamas jaunās iekārtās, un parasti dārgajā ražošanas procesā.
Biogāze
Tomēr metāna avots ir ne tikai pazemes atradnes. 1808. gadā Hamfrijs Deivijs eksperimentēja ar salmiem, kas tika ievietoti vakuuma retortē, un ražoja biogāzi, kas satur galvenokārt metānu, oglekļa dioksīdu, ūdeņradi un slāpekli. Daniels Defo romānā The Lost Island runā arī par biogāzi. Taču šīs idejas vēsture ir vēl senāka – 1776. gadsimtā Jans Baptists Van Helmonts uzskatīja, ka, sadaloties organiskām vielām, var iegūt viegli uzliesmojošas gāzes, un pie līdzīgiem secinājumiem nonāca arī grāfs Aleksandrs Volta (akumulatora radītājs). 1859. gadā. Pirmā biogāzes rūpnīca sāka darboties Bombejā un tika izveidota tajā pašā gadā, kad Edvīns Dreiks veica pirmo veiksmīgo naftas urbšanu. Indijas rūpnīca apstrādā fekālijas un piegādā gāzi ielu lampām.
Paies ilgs laiks, līdz ķīmiskie procesi biogāzes ražošanā tiek rūpīgi izprasti un izpētīti. Tas kļuva iespējams tikai XX gadsimta 30. gados un ir mikrobioloģijas attīstības lēciena rezultāts. Izrādās, ka šo procesu izraisa anaerobās baktērijas, kas ir viena no vecākajām dzīvības formām uz Zemes. Viņi “sasmalcina” organisko vielu anaerobā vidē (aerobā sadalīšanās prasa daudz skābekļa un rada siltumu). Šādi procesi dabiski notiek arī purvos, purvos, nelobītos laukos, pārklātās lagūnās utt.
Mūsdienu biogāzes ražošanas sistēmas dažās valstīs kļūst arvien populārākas, un Zviedrija ir līderis gan biogāzes ražošanā, gan ar to darbināšanai pielāgotu automašīnu ražošanā. Sintēzes blokos tiek izmantoti īpaši izstrādāti bioģeneratori - salīdzinoši lētas un vienkāršas ierīces, kas rada piemērotu vidi baktērijām, kuras atkarībā no to veida visefektīvāk “strādā” temperatūrā no 40 līdz 60 grādiem. Biogāzes staciju galaproduktos papildus gāzei ir arī ar amonjaku, fosforu un citiem elementiem bagāti savienojumi, kas piemēroti izmantošanai lauksaimniecībā kā augsnes mēslojums.
