Alternative de testare: PARTEA 1 - Industria gazelor

În anii 70, Wilhelm Maybach a experimentat diverse modele de motoare cu ardere internă, a schimbat mecanismele și s-a gândit la cele mai potrivite aliaje pentru producerea de piese individuale. El se întreabă adesea care dintre substanțele combustibile cunoscute atunci ar fi cele mai potrivite pentru utilizarea în motoarele termice.

În anii 70, Wilhelm Maybach a experimentat diverse modele de motoare cu ardere internă, a schimbat mecanismele și s-a gândit la cele mai potrivite aliaje pentru producerea de piese individuale. El se întreabă adesea care dintre substanțele combustibile cunoscute atunci ar fi cele mai potrivite pentru utilizarea în motoarele termice.

În 1875, pe când era angajat al Gasmotorenfabrik Deutz, Wilhelm Maybach a decis să testeze dacă ar putea funcționa un motor pe gaz cu combustibil lichid - mai precis, pe benzină. I-a trecut prin cap să verifice ce s-ar întâmpla dacă ar închide robinetul de gaz și în schimb ar pune o bucată de pânză înmuiată în benzină în fața galeriei de admisie. Motorul nu se oprește, ci continuă să funcționeze până când „suge” tot lichidul din țesut. Așa s-a născut ideea primului „carburator” improvizat, iar după crearea mașinii, benzina a devenit principalul combustibil pentru aceasta.

Vă spun această poveste pentru a vă reaminti că înainte ca benzina să apară ca o alternativă la combustibil, primele motoare foloseau gazul drept combustibil. Apoi a fost vorba despre utilizarea (iluminării) gazului pentru iluminat, obținută prin metode necunoscute astăzi, dar prin prelucrarea cărbunelui. Motorul, inventat de elvețianul Isaac de Rivak, primul motor "etilen Lenoir" de calitate industrială "aspirat natural" (necomprimat) din 1862 și unitatea clasică în patru timpi creată de Otto puțin mai târziu, funcționează pe benzină.

Aici este necesar să menționăm diferența dintre gazul natural și gazul petrolier lichefiat. Gazele naturale conțin 70 până la 98% metan, restul fiind mai mari gaze organice și anorganice, cum ar fi etan, propan și butan, monoxid de carbon și altele. De asemenea, petrolul conține gaze în proporții variabile, dar aceste gaze sunt eliberate prin distilare fracționată sau sunt produse prin unele procese secundare în rafinării. Câmpurile de gaze sunt foarte diferite - gaz pur sau "uscat" (adică, care conține în principal metan) și "umede" (conținând metan, etan, propan, alte gaze mai grele și chiar "benzină" - lichid ușor, fracții foarte valoroase) . Tipurile de uleiuri sunt, de asemenea, diferite, iar concentrația de gaze în ele poate fi fie mai mică, fie mai mare. Câmpurile sunt adesea combinate - gazul se ridică deasupra petrolului și acționează ca un „cap de gaz”. Compoziția „capacului” și a câmpului de petrol principal include substanțele menționate mai sus și diverse fracțiuni, la figurat vorbind, „curg” una în alta. Metanul folosit ca combustibil pentru vehicule „provine” din gaze naturale, iar amestecul propan-butan pe care îl cunoaștem provine atât din zăcăminte de gaze naturale, cât și din zăcăminte de petrol. Aproximativ 6% din gazele naturale din lume sunt produse din zăcăminte de cărbune, care sunt adesea însoțite de zăcăminte de gaze.

Propan-butan apare pe scenă într-un mod oarecum paradoxal. În 1911, un client american revoltat al unei companii petroliere i-a instruit prietenului său, celebrul chimist dr. Snelling, să afle motivele misteriosului eveniment. Motivul indignării clientului este că clientul este surprins să afle că jumătate din rezervorul stației de alimentare tocmai a fost umplută. Ford Ea a dispărut prin mijloace necunoscute în timpul unei scurte călătorii la el acasă. Rezervorul nu curge de nicăieri ... După multe experimente, dr. Snelling a descoperit că motivul misterului era conținutul ridicat de gaz propan și butan din combustibil și, la scurt timp după aceea, a dezvoltat primele metode practice de distilare. lor. Din cauza acestor progrese fundamentale, Dr. Snelling este acum considerat „tatăl” industriei.

Cu mult mai devreme, în urmă cu aproximativ 3000 de ani, ciobanii au descoperit un „izvor în flăcări” pe Muntele Paranas din Grecia. Mai târziu, pe acest loc „sacru” a fost construit un templu cu coloane în flăcări, iar oracolul Delphius și-a recitat rugăciunile în fața maiestosului colos, determinând oamenii să simtă un sentiment de împăcare, teamă și admirație. Astăzi, o parte din această poveste de dragoste se pierde deoarece știm că sursa flăcării este metanul (CH4) care curge din fisurile din roci asociate cu adâncimile câmpurilor de gaz. Există incendii similare în multe locuri din Irak, Iran și Azerbaidjan în largul coastei Mării Caspice, care au ars și ele de secole și sunt cunoscute de mult timp ca „Flăcările veșnice ale Persiei”.

Mulți ani mai târziu, chinezii au folosit și gazele de pe câmp, dar cu un scop foarte pragmatic - pentru a încălzi cazane mari cu apă de mare și a extrage sare din aceasta. În 1785, britanicii au creat o metodă de producere a metanului din cărbune (care a fost folosit la primele motoare cu ardere internă), iar la începutul secolului XX, chimiștii germani Kekule și Stradonitz au brevetat un procedeu de producere a combustibilului lichid mai greu din acesta.

În 1881, William Hart a forat primul puț de gaz în orașul american Fredonia. Hart a privit mult timp bulele ridicându-se la suprafața apei într-un golf din apropiere și a decis să sape o groapă din pământ până la zăcământul de gaz propus. La o adâncime de nouă metri sub suprafață, a ajuns într-o venă din care a țâșnit gaz, pe care l-a capturat ulterior, iar nou formata sa Fredonia Gas Light Company a devenit un pionier în afacerea cu gaze. Cu toate acestea, în ciuda descoperirii lui Hart, gazul de iluminat folosit în secolul al XIX-lea a fost extras în principal din cărbune prin metoda descrisă mai sus - în principal din cauza lipsei de potențial de dezvoltare a tehnologiilor de transport al gazelor naturale din câmpuri.

Cu toate acestea, prima producție comercială de petrol era deja un fapt atunci. Istoria lor a început în SUA în 1859, iar ideea a fost să se folosească uleiul extras pentru a distila kerosenul pentru iluminat și uleiurile pentru motoarele cu abur. Chiar și atunci, oamenii s-au confruntat cu puterea distructivă a gazelor naturale, comprimate de mii de ani în măruntaiele pământului. Pionierii grupului lui Edwin Drake aproape că au murit în timpul primei foraje improvizate de lângă Titusville, Pennsylvania, când s-a scurs gaz din breșă, a izbucnit un incendiu uriaș, care a dus toate echipamentele. Astăzi, exploatarea zăcămintelor de petrol și gaze este însoțită de un sistem de măsuri speciale de blocare a fluxului liber al gazelor combustibile, însă incendiile și exploziile nu sunt neobișnuite. Cu toate acestea, același gaz este folosit în multe cazuri ca un fel de „pompă” care împinge petrolul la suprafață, iar când presiunea acestuia scade, petroliștii încep să caute și să folosească alte metode pentru a extrage „aur negru”.

Lumea gazelor cu hidrocarburi

În 1885, la patru ani după primul foraj de gaz al lui William Hart, un alt american, Robert Bunsen, a inventat un dispozitiv care mai târziu a devenit cunoscut sub numele de „arzătorul Bunsen”. Invenția servește la dozarea și amestecarea gazului și a aerului într-o proporție adecvată, care poate fi apoi folosită pentru arderea în siguranță - acest arzător este astăzi baza duzelor moderne de oxigen pentru sobe și aparate de încălzire. Invenția lui Bunsen a deschis noi posibilități de utilizare a gazului natural, dar deși prima conductă de gaz a fost construită încă din 1891, combustibilul albastru nu a câștigat importanță comercială până în cel de-al Doilea Război Mondial.

În timpul războiului, au fost create metode suficient de fiabile de tăiere și sudare, care au făcut posibilă construirea de conducte de gaz metalice sigure. Mii de kilometri dintre ele au fost construiți în America după război, iar conducta din Libia până în Italia a fost construită în anii 60. În Țările de Jos au fost descoperite și zăcăminte mari de gaze naturale. Aceste două fapte explică infrastructura mai bună pentru utilizarea gazului natural comprimat (CNG) și a gazului petrolier lichefiat (GPL) ca combustibil pentru vehicule în aceste două țări. Importanța strategică enormă pe care începe să o dobândească gazele naturale este confirmată de următorul fapt - când Reagan a decis să distrugă „Imperiul Răului” în anii 80, a refuzat furnizarea de echipamente de înaltă tehnologie pentru construirea unei conducte de gaz din URSS către Europa. Pentru a compensa nevoile europene, construcția unei conducte de gaze din sectorul norvegian al Mării Nordului până în Europa continentală se accelerează, iar URSS-ul este suspendat. La acea vreme, exporturile de gaze erau principala sursă de valută forte pentru Uniunea Sovietică, iar penuria gravă rezultată din măsurile Reagan a dus în curând la binecunoscutele evenimente istorice de la începutul anilor 90.

Astăzi, Rusia democratică este un furnizor major de gaze naturale pentru nevoile energetice ale Germaniei și un jucător global major în acest domeniu. Importanța gazelor naturale a început să crească după cele două crize ale petrolului din anii '70, iar astăzi este una dintre principalele resurse energetice de importanță geostrategică. În prezent, gazul natural este cel mai ieftin combustibil pentru încălzire, este folosit ca materie primă în industria chimică, pentru producerea de energie electrică, pentru electrocasnice, iar propanul „vărul” său poate fi găsit chiar și în sticlele de deodorant ca deodorant. înlocuitor pentru compușii fluor care epuizează stratul de ozon. Consumul de gaze naturale este în continuă creștere, iar rețeaua de gazoducte se îndelungește. În ceea ce privește infrastructura construită până acum pentru utilizarea acestui combustibil în mașini, totul este cu mult în urmă.

V-am povestit deja despre deciziile ciudate pe care japonezii le-au luat în producția de combustibil atât de necesar și rar în timpul celui de-al Doilea Război Mondial și am menționat și programul pentru producția de benzină sintetică în Germania. Cu toate acestea, se știe puțin despre faptul că în anii de război slab din Germania existau mașini destul de adevărate care rulau pe... lemn! În acest caz, aceasta nu este o întoarcere la vechiul motor cu abur, ci la motoarele cu ardere internă, concepute inițial să funcționeze pe benzină. De fapt, ideea nu este foarte complicată, dar necesită utilizarea unui sistem generator de gaz voluminos, greu și periculos. Cărbunele, cărbunele sau doar lemnul este plasat într-o centrală specială și nu foarte complexă. La fundul său, acestea ard în absența oxigenului, iar în condiții de temperatură și umiditate ridicată se eliberează un gaz care conține monoxid de carbon, hidrogen și metan. Apoi este răcit, curățat și alimentat de un ventilator în galeriile de admisie ale motorului pentru a fi folosit ca combustibil. Bineînțeles, șoferii acestor mașini îndeplineau funcțiile complexe și dificile ale pompierilor - cazanul trebuia încărcat și curățat periodic, iar mașinile de fumat într-adevăr semănau puțin cu locomotivele cu abur.

Astăzi, explorarea gazelor necesită unele dintre cele mai sofisticate tehnologii din lume, iar extracția de gaze naturale și petrol este una dintre cele mai mari provocări cu care se confruntă știința și tehnologia. Acest fapt este valabil mai ales în SUA, unde din ce în ce mai multe metode neconvenționale sunt folosite pentru a „aspira” gazul rămas în câmpurile vechi sau abandonate, precum și pentru a extrage așa-numitele gaze „strânse”. Potrivit oamenilor de știință, acum va fi nevoie de două ori mai multe foraje pentru a produce gaz la nivelul tehnologiei din 1985. Eficiența metodelor este mult crescută, iar greutatea echipamentului a fost redusă cu 75%. Pentru analiza datelor de la gravimetre, tehnologii seismice și sateliți laser sunt folosite programe informatice din ce în ce mai sofisticate, din care sunt create hărți computerizate tridimensionale ale rezervoarelor. Au fost create și așa-numitele imagini 4D, datorită cărora este posibilă vizualizarea formelor și mișcărilor depozitelor în timp. Cu toate acestea, rămân instalații de ultimă generație pentru producția de gaze naturale offshore - doar o fracțiune din progresul uman în acest domeniu - sisteme de poziționare globală pentru foraj, foraj ultra-profund, conducte de pe fundul oceanului și sisteme de lichidare lichefiată. monoxid de carbon și nisip.

Rafinarea petrolului pentru a produce benzină de înaltă calitate este o sarcină mult mai complexă decât rafinarea gazelor. Pe de altă parte, transportul gazelor pe mare este mult mai costisitor și mai complex. Cisternele cu GPL sunt destul de complexe în design, dar transportoarele GNL sunt o creație uimitoare. Butanul se lichefiază la -2 grade, în timp ce propanul se lichefiază la -42 de grade sau presiune relativ scăzută. Cu toate acestea, este nevoie de -165 de grade pentru a lichefia metanul! În consecință, construcția cisternelor GPL necesită stații de compresoare mai simple decât pentru gaze naturale și rezervoare care sunt proiectate să reziste la presiuni nu deosebit de mari de 20-25 bar. În schimb, cisternele cu gaz natural lichefiat sunt echipate cu sisteme de răcire continuă și rezervoare superizolate - de fapt, acești colosi sunt cele mai mari frigidere criogenice din lume. O parte din gaz reușește însă să „părăsească” aceste instalații, dar un alt sistem îl captează imediat și îl alimentează în cilindrii motorului navei.

Din motivele de mai sus, este destul de de înțeles că deja în 1927 tehnologia a permis ca primele rezervoare de propan-butan să supraviețuiască. Aceasta este opera olandeză-engleză Shell, care la acea vreme era deja o companie gigantică. Șeful ei Kessler este un om avansat și un experimentator care visează de mult să folosească într-un fel uriașa cantitate de gaz care s-a scurs până acum în atmosferă sau s-a ars în rafinăriile de petrol. Din ideea și inițiativa sa, a fost creat primul vas offshore cu o capacitate de transport de 4700 de tone pentru a transporta gaze de hidrocarburi cu aspect exotic și dimensiuni impresionante deasupra tancurilor de pe punte.

Totuși, sunt necesari încă treizeci și doi de ani pentru a construi primul transportator de metan Methane Pioneer, construit la ordinul companiei de gaze Constock International Methane Limited. Shell, care are deja o infrastructură stabilă pentru producția și distribuția de GPL, a cumpărat această companie și, foarte curând, au fost construite încă două cisterne uriașe - Shell a început să dezvolte afacerea cu gaze naturale lichefiate. Când locuitorii insulei engleze Conway, unde compania construiește depozite de metan, își dau seama ce este de fapt depozitat și transportat pe insula lor, sunt șocați și speriați, gândindu-se (și pe bună dreptate) că navele sunt doar bombe uriașe. Atunci problema siguranței era cu adevărat relevantă, dar astăzi cisternele pentru transportul metanului lichefiat sunt extrem de sigure și nu sunt doar una dintre cele mai sigure, ci și una dintre cele mai prietenoase nave maritime – incomparabil mai sigure pentru mediu decât petrolierele. Cel mai mare client al flotei de cisterne este Japonia, care practic nu are surse locale de energie, iar construcția de conducte de gaz către insulă este o întreprindere foarte dificilă. Japonia are, de asemenea, cel mai mare „parc” de vehicule pe gaz. Principalii furnizori de gaz natural lichefiat (GNL) astăzi sunt Statele Unite ale Americii, Oman și Qatar, Canada.

Recent, afacerea de producere a hidrocarburilor lichide din gaze naturale a devenit din ce în ce mai populară. Acesta este în principal motorină ultra-curată sintetizată din metan, iar această industrie este de așteptat să se dezvolte într-un ritm accelerat în viitor. De exemplu, politica energetică a lui Bush necesită utilizarea surselor locale de energie, iar Alaska are zăcăminte mari de gaze naturale. Aceste procese sunt stimulate de prețurile relativ ridicate ale petrolului, care creează premise pentru dezvoltarea unor tehnologii costisitoare - GTL (Gas-to-Liquids) este doar una dintre ele.

Practic, GTL nu este o tehnologie nouă. A fost creat în anii 20 de chimiștii germani Franz Fischer și Hans Tropsch, menționate în numerele anterioare ca parte a programului lor sintetic. Cu toate acestea, spre deosebire de hidrogenarea distructivă a cărbunelui, aici au loc procesele de unire a moleculelor ușoare în legături mai lungi. Africa de Sud produce astfel de combustibil la scară industrială încă din anii 50. Cu toate acestea, interesul față de acestea a crescut în ultimii ani în căutarea de noi oportunități de reducere a emisiilor nocive de combustibil în Statele Unite. Marile companii petroliere precum BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol și Royal Dutch/Shell cheltuiesc sume uriașe pentru dezvoltarea tehnologiilor legate de GTL și, ca urmare a acestor evoluții, aspectele politice și sociale sunt din ce în ce mai discutate în fata de stimulente. taxe asupra consumatorilor de combustibil curat. Acești combustibili vor permite multor consumatori de motorină să-l înlocuiască cu un motor mai ecologic și vor reduce costurile pentru companiile auto pentru a îndeplini noile niveluri de emisii nocive stabilite de lege. Testele aprofundate recente arată că carburanții GTL reduc monoxidul de carbon cu 90%, hidrocarburile cu 63% și funinginea cu 23% fără a fi nevoie de filtre de particule diesel. În plus, natura cu conținut scăzut de sulf a acestui combustibil permite utilizarea de catalizatori suplimentari care pot reduce și mai mult emisiile vehiculelor.

Un avantaj important al combustibilului GTL este că poate fi utilizat direct la motoarele diesel fără modificări ale unităților. De asemenea, pot fi amestecate cu combustibili care conțin 30 până la 60 ppm de sulf. Spre deosebire de gazele naturale și gazele petroliere lichefiate, nu este necesară modificarea infrastructurii de transport existente pentru a transporta combustibili lichizi. Potrivit președintelui Rentech, Denis Yakubson, acest tip de combustibil ar putea completa în mod ideal potențialul ecologic al motoarelor diesel, iar Shell construiește în prezent o fabrică mare de 22,3 miliarde de dolari în Qatar, cu o capacitate de proiectare de XNUMX milioane de litri de combustibil sintetic pe zi. ... Cea mai mare problemă cu acești combustibili provine din investiția uriașă necesară în noile instalații și din procesul de producție de obicei scump.

biogaz

Cu toate acestea, sursa de metan nu este doar depozitele subterane. În 1808, Humphry Davy a experimentat cu paie plasate într-o retortă în vid și a produs un biogaz care conținea în principal metan, dioxid de carbon, hidrogen și azot. Despre biogaz vorbește și Daniel Defoe în romanul său despre „insula pierdută”. Cu toate acestea, istoria acestei idei este și mai veche - în secolul 1776, Jan Baptita Van Helmont credea că gazele combustibile pot fi obținute din descompunerea substanțelor organice, iar contele Alexander Volta (creatorul bateriei) a ajuns și el la concluzii similare. în 1859. Prima fabrică de biogaz a început să funcționeze în Bombay și a fost înființată în același an în care Edwin Drake a produs primul foraj de petrol de succes. O fabrică indiană prelucrează fecalele și furnizează gaz pentru lămpile stradale.

Va dura mult timp până când procesele chimice din producția de biogaz vor fi înțelese și studiate temeinic. Acest lucru a devenit posibil doar în anii 30 ai secolului XX și este rezultatul unui salt în dezvoltarea microbiologiei. Se pare că acest proces este cauzat de bacterii anaerobe, care sunt una dintre cele mai vechi forme de viață de pe Pământ. Ei „macină” materia organică într-un mediu anaerob (descompunerea aerobă necesită mult oxigen și generează căldură). Astfel de procese apar de asemenea în mod natural în mlaștini, mlaștini, câmpuri, lagune acoperite etc.

Sistemele moderne de producție de biogaz devin din ce în ce mai populare în unele țări, iar Suedia este lider atât în ​​producția de biogaz, cât și în vehiculele adaptate pentru a rula pe acesta. Unitățile de sinteză folosesc biogeneratoare special concepute, dispozitive relativ ieftine și simple care creează un mediu potrivit pentru bacterii, care, în funcție de tipul lor, „funcționează” cel mai eficient la temperaturi cuprinse între 40 și 60 de grade. Produsele finale ale instalațiilor de biogaz, pe lângă gaze, conțin și compuși bogați în amoniac, fosfor și alte elemente adecvate pentru utilizare în agricultură ca îngrășăminte pentru sol.