Reynsluakstursvalkostir: HLUTI 1 - Gasiðnaður

Á áttunda áratugnum gerði Wilhelm Maybach tilraunir með ýmsa hönnun brunahreyfla, breytti fyrirkomulagi og hugsaði um hentugustu málmblöndur til framleiðslu á einstökum hlutum. Hann veltir því oft fyrir sér hvert af þá þekktu brennanlegu efni væri heppilegast til notkunar í hitavélar.

Á áttunda áratugnum gerði Wilhelm Maybach tilraunir með ýmsa hönnun brunahreyfla, breytti fyrirkomulagi og hugsaði um hentugustu málmblöndur til framleiðslu á einstökum hlutum. Hann veltir því oft fyrir sér hvert af þá þekktu brennanlegu efni væri heppilegast til notkunar í hitavélar.

Árið 1875, þegar hann var starfsmaður Gasmotorenfabrik Deutz, ákvað Wilhelm Maybach að prófa hvort hann gæti keyrt gasvél á fljótandi eldsneyti - nánar tiltekið á bensíni. Honum datt í hug að athuga hvað myndi gerast ef hann lokaði gaskrananum og setti þess í stað viskastykki sem var vætt í bensíni fyrir framan inntaksgreinina. Vélin stöðvast ekki heldur heldur áfram að vinna þar til hún „sýgur“ allan vökvann úr vefnum. Þannig fæddist hugmyndin um fyrsta spuna "carburetor" og eftir stofnun bílsins varð bensín aðaleldsneytið fyrir hann.

Ég segi þessa sögu til að minna þig á að áður en bensín birtist sem valkostur við eldsneyti notuðu fyrstu vélarnar bensín sem eldsneyti. Þá snerist það um notkun (lýsingar) gas til lýsingar, fengin með aðferðum sem ekki eru þekktar í dag, heldur með kolvinnslu. Vélin, fundin upp af Svisslendingnum Isaac de Rivak, fyrsta „náttúrulega“ (óþjappa) Ethylene Lenoir vélin í iðnaðarflokki síðan 1862 og hin sígilda fjögurra högga eining sem Otto bjó til aðeins síðar, keyrð á bensíni.

Hér er nauðsynlegt að nefna muninn á jarðgasi og fljótandi jarðolíugasi. Jarðgas inniheldur 70 til 98% metan, afgangurinn er hærri lífrænar og ólífrænar lofttegundir eins og etan, própan og bútan, kolmónoxíð og fleira. Olía inniheldur einnig lofttegundir í mismunandi hlutföllum, en þessar lofttegundir losna við brotaeimingu eða eru framleiddar með einhverjum hliðarferlum í hreinsunarstöðvum. Gassvæði eru mjög mismunandi - hreint gas eða "þurrt" (þ.e. innihalda aðallega metan) og "blautt" (innihalda metan, etan, própan, nokkrar aðrar þyngri lofttegundir, og jafnvel "bensín" - léttur vökvi, mjög verðmæt brot) . Tegundir olíu eru líka mismunandi og styrkur lofttegunda í þeim getur verið annaðhvort lægri eða hærri. Reitir eru oft sameinaðir - gas rís yfir olíu og virkar sem "gaslok". Samsetning „hettunnar“ og aðalolíusvæðisins inniheldur efnin sem nefnd eru hér að ofan og ýmis brot, í óeiginlegri merkingu, „renna“ hvert í annað. Metanið sem notað er sem eldsneyti fyrir bíla „komur“ úr jarðgasi og própan-bútan blandan sem við þekkjum kemur bæði frá jarðgassvæðum og olíusvæðum. Um 6% af jarðgasi í heiminum er framleitt úr kolaútfellum sem oft fylgja gasforða.

Própan-bútan kemur fram á sjónarsviðið á nokkuð mótsagnakenndan hátt. Árið 1911 fól reiður bandarískur viðskiptavinur olíufyrirtækis vini sínum, hinum fræga efnafræðingi Dr. Snelling, fyrirmæli um að komast að ástæðunum fyrir þessum dularfulla atburði. Ástæðan fyrir reiði viðskiptavinarins er sú að viðskiptavinurinn er undrandi þegar hann kemst að því að það er nýbúið að fylla helming tanks bensínstöðvarinnar. Ford Hún hvarf með óþekktum hætti í stuttri ferð heim til hans. Tankurinn rennur ekki upp úr engu ... Eftir margar tilraunir komst Dr. Snelling að því að ástæða leyndardómsins var mikið magn própan- og bútanlofttegunda í eldsneytinu og fljótlega eftir það þróaði hann fyrstu hagnýtu aðferðirnar við eimingu þeim. Það er vegna þessara grundvallarframfara sem Dr. Snelling er nú talinn "faðir" iðnaðarins.

Miklu fyrr, fyrir um 3000 árum, uppgötvuðu smalar „logandi lind“ á Paranas-fjalli í Grikklandi. Seinna var byggt musteri með logandi súlum á þessum „helga“ stað og véfréttin Delphius las bænir sínar fyrir tignarlegan kólossa og olli því að fólk fann fyrir sátt, ótta og aðdáun. Í dag glatast hluti af þeirri rómantík vegna þess að við vitum að uppspretta logans er metan (CH4) sem rennur úr sprungum í grjóti sem tengjast djúpum gassvæðanna. Svipaðir eldar eru víða í Írak, Íran og Aserbaídsjan undan ströndum Kaspíahafs, sem einnig hafa logað um aldir og hafa lengi verið þekktir sem „eilífir eldar Persa“.

Mörgum árum síðar notuðu Kínverjar einnig lofttegundir frá ökrunum, en í mjög raunsæjum tilgangi - að hita stóra katla með sjó og vinna salt úr því. Árið 1785 bjuggu Bretar til aðferð til að framleiða metan úr kolum (sem var notað í fyrstu brunavélarnar) og snemma á tuttugustu öld fengu þýsku efnafræðingarnir Kekule og Stradonitz einkaleyfi á ferli til að framleiða þyngra fljótandi eldsneyti úr því.

Árið 1881 boraði William Hart fyrstu gasholuna í bandarísku borginni Fredonia. Hart horfði lengi á loftbólurnar stíga upp á yfirborð vatnsins í nálægri flóa í langan tíma og ákvað að grafa holu frá jörðu að fyrirhugaða gassvæðinu. Á níu metra dýpi undir yfirborðinu náði hann að bláæð sem gas streymdi út úr, sem hann náði síðar, og nýstofnað Fredonia Gas Light Company varð frumkvöðull í gasbransanum. En þrátt fyrir bylting Hart var ljósgasið sem notað var á XNUMX. öld aðallega unnið úr kolum með þeirri aðferð sem lýst er hér að ofan - aðallega vegna skorts á möguleikum til að þróa tækni til að flytja jarðgas frá ökrum.

Hins vegar var fyrsta olíuframleiðslan í atvinnuskyni þegar staðreynd þá. Saga þeirra hófst í Bandaríkjunum árið 1859, og hugmyndin var að nota olíuna til að eima steinolíu til lýsingar og olíur fyrir gufuvélar. Jafnvel þá stóð fólk frammi fyrir eyðileggingarmátt jarðgass, þjappað saman í þúsundir ára í iðrum jarðar. Brautryðjendur hóps Edwins Drake létust næstum við fyrstu óundirbúnu borunina nálægt Titusville í Pennsylvaníu, þegar gas lak úr brotinu, risaeldur kom upp sem flutti allan búnaðinn. Í dag fylgir nýtingu olíu- og gassvæða kerfi sérstakra aðgerða til að hindra frjálst flæði brennanlegs gass, en eldar og sprengingar eru ekki óalgengar. Sama gasið er hins vegar í mörgum tilfellum notað sem eins konar „dæla“ sem þrýstir olíu upp á yfirborðið og þegar þrýstingur hennar lækkar fara olíumenn að leita að og nota aðrar aðferðir til að vinna „svarta gullið“.

Heimur kolvetnis lofttegunda

Árið 1885, fjórum árum eftir fyrstu gasborun William Hart, fann annar Bandaríkjamaður, Robert Bunsen, upp tæki sem síðar varð þekkt sem „Bunsenbrennarinn“. Uppfinningin miðar að því að skammta og blanda gasi og lofti í hæfilegu hlutfalli, sem síðan er hægt að nota til öruggrar brennslu - það er þessi brennari sem í dag er undirstaða nútíma súrefnisstúta fyrir ofna og hitatæki. Uppfinning Bunsens opnaði nýja möguleika á notkun jarðgass, en þó að fyrsta gasleiðsluna hafi verið byggð strax árið 1891 fékk blátt eldsneyti ekki viðskiptalegt mikilvægi fyrr en í síðari heimsstyrjöldinni.

Það var í stríðinu sem nægilega áreiðanlegar aðferðir við skurð og suðu voru búnar til, sem gerðu það mögulegt að byggja öruggar málmgasleiðslur. Þúsundir kílómetra af þeim voru byggðir í Ameríku eftir stríðið og leiðslan frá Líbíu til Ítalíu var byggð á sjöunda áratugnum. Einnig hafa fundist miklar jarðgaslindir í Hollandi. Þessar tvær staðreyndir skýra betri innviði til að nota þjappað jarðgas (CNG) og fljótandi jarðolíugas (LPG) sem eldsneyti fyrir ökutæki í þessum tveimur löndum. Hið gífurlega hernaðarlega mikilvægi sem jarðgas er farið að öðlast er staðfest af eftirfarandi staðreynd - þegar Reagan ákvað að eyðileggja "Evil Empire" á níunda áratugnum beitti hann neitunarvaldi gegn framboði á hátæknibúnaði fyrir byggingu gasleiðslu frá Sovétríkin til Evrópu. Til að vega upp á móti evrópskum þörfum hraðar byggingu gasleiðslu frá norska hluta Norðursjó til meginlands Evrópu og Sovétríkin hanga. Á þeim tíma var gasútflutningur helsta uppspretta harðs gjaldeyris fyrir Sovétríkin og sá mikli skortur sem leiddi af aðgerðum Reagan leiddi fljótlega til hinna þekktu sögulegu atburða í upphafi tíunda áratugarins.

Í dag er lýðræðislega Rússland stór birgir jarðgass fyrir orkuþörf Þýskalands og stór alþjóðlegur aðili á þessu sviði. Mikilvægi jarðgass fór að aukast eftir tvær olíukreppur á áttunda áratugnum og í dag er það ein helsta orkuauðlindin sem hefur landfræðilega mikilvægu. Eins og er er jarðgas ódýrasta eldsneytið til upphitunar, það er notað sem hráefni í efnaiðnaði, til raforkuframleiðslu, fyrir heimilistæki og "frændi" þess própan er jafnvel að finna í lyktareyðisflöskum sem lyktareyði. í staðinn fyrir ósoneyðandi flúorsambönd. Neysla á jarðgasi eykst stöðugt og gasleiðslukerfið lengist. Hvað varðar innviðina sem hingað til eru byggðir fyrir notkun þessa eldsneytis í bíla, þá er allt langt á eftir.

Við höfum þegar sagt ykkur frá undarlegum ákvörðunum sem Japanir tóku í framleiðslu á bráðnauðsynlegu og af skornum skammti eldsneytis í seinni heimsstyrjöldinni og einnig minnst á áætlunina um framleiðslu á gervibensíni í Þýskalandi. Hins vegar er lítið vitað um þá staðreynd að á mögru stríðsárunum í Þýskalandi voru alveg alvöru bílar keyrðir á ... viði! Í þessu tilviki er ekki um að ræða afturhvarf til gömlu góðu gufuvélarinnar, heldur brunavélar, sem upphaflega eru hannaðar til að ganga fyrir bensíni. Reyndar er hugmyndin ekki mjög flókin en krefst þess að nota fyrirferðarmikið, þungt og hættulegt gasrafallskerfi. Kol, kol eða bara timbur er sett í sérstaka og ekki mjög flókna virkjun. Á botni þess brenna þeir í skorti á súrefni og við háan hita og raka losnar lofttegund sem inniheldur kolmónoxíð, vetni og metan. Hann er síðan kældur, hreinsaður og færður með viftu inn í inntaksgrein hreyfilsins til notkunar sem eldsneyti. Að sjálfsögðu sinntu ökumenn þessara véla flóknum og erfiðum störfum slökkviliðsmanna - ketilinn þurfti að hlaða og þrífa reglulega og reykingarvélarnar líktust í raun dálítið eins og gufueimreiðum.

Í dag krefst gasleit einhverrar af fullkomnustu tækni heimsins og vinnsla jarðgass og olíu er ein stærsta áskorunin sem vísindi og tækni standa frammi fyrir. Þessi staðreynd á sérstaklega við í Bandaríkjunum, þar sem sífellt er verið að nota óhefðbundnar aðferðir til að „suga“ gas sem skilið er eftir á gömlum eða yfirgefnum ökrum, auk þess að vinna svokallað „þétt“ gas. Að sögn vísindamanna mun það nú þurfa tvöfalt meiri borun til að framleiða gas á tæknistigi árið 1985. Skilvirkni aðferðanna er aukin til muna og þyngd búnaðarins hefur minnkað um 75%. Sífellt flóknari tölvuforrit eru notuð til að greina gögn frá þyngdarmælum, jarðskjálftatækni og leysigervihnöttum, en úr þeim eru búin til þrívídd tölvutæk kort af uppistöðulónum. Einnig hafa verið búnar til svokallaðar 4D myndir, þökk sé þeim sem hægt er að sjá form og hreyfingar útfellinga með tímanum. Hins vegar er enn fullkomnasta aðstaða fyrir jarðgasvinnslu á hafi úti - aðeins brot af framfarum manna á þessu sviði - hnattræn staðsetningarkerfi fyrir boranir, ofurdjúpar boranir, hafsbotnsleiðslur og fljótandi úthreinsunarkerfi. kolmónoxíð og sandur.

Hreinsun olíu til að framleiða hágæða bensín er mun flóknara verkefni en hreinsun lofttegunda. Hins vegar er flutningur á gasi á sjó mun kostnaðarsamari og flóknari. LPG tankskip eru nokkuð flókin í hönnun, en LNG flutningaskip eru töfrandi sköpun. Bútan vöknar við -2 gráður, en própan vökvast við -42 gráður eða tiltölulega lágan þrýsting. Hins vegar þarf -165 gráður til að gera metan fljótandi! Þar af leiðandi krefst smíði LPG tankbíla einfaldari þjöppustöðvar en fyrir jarðgas og tanka sem eru hannaðir til að þola ekki sérstaklega háan þrýsting upp á 20-25 bör. Aftur á móti eru tankskip fyrir fljótandi jarðgas búin samfelldu kælikerfi og ofureinangruðum tönkum - í raun eru þessir kolossar stærstu frystikælar í heimi. Hluti gassins nær þó að „yfirgefa“ þessar mannvirki, en annað kerfi fangar það strax og setur það inn í vélarhólka skipsins.

Af ofangreindum ástæðum er það alveg skiljanlegt að þegar árið 1927 leyfði tæknin fyrstu própan-bútantankana að lifa af. Þetta er verk hollensk-ensku Shell, sem á þeim tíma var þegar risafyrirtæki. Yfirmaður hennar Kessler er háþróaður maður og tilraunamaður sem hefur lengi dreymt um að nota á einhvern hátt það mikla magn af gasi sem hingað til hefur lekið út í andrúmsloftið eða brunnið í olíuhreinsunarstöðvum. Að hans hugmynd og frumkvæði var fyrsta úthafsskipið með 4700 tonna burðargetu búið til til að flytja kolvetnislofttegundir með framandi útliti og glæsilegum stærðum yfir þilfarstanka.

Hins vegar þarf þrjátíu og tvö ár í viðbót til að smíða fyrsta Methane Pioneer metanflutningsskipið, smíðað að pöntun frá gasfyrirtækinu Constock International Methane Limited. Shell, sem þegar hefur stöðuga innviði fyrir framleiðslu og dreifingu á LPG, keypti þetta fyrirtæki og mjög fljótlega voru smíðuð tvö risastór tankskip til viðbótar - Shell byrjaði að þróa fljótandi jarðgas. Þegar íbúar ensku eyjunnar Conway, þar sem fyrirtækið er að byggja metangeymslur, átta sig á því hvað er í raun og veru geymt og flutt til eyjunnar þeirra, verða þeir hneykslaðir og hræddir og halda (og með réttu) að skipin séu bara risasprengjur. Þá var öryggisvandamálið mjög viðeigandi, en í dag eru tankskip til flutnings á fljótandi metani afar örugg og eru ekki bara eitt öruggasta, heldur líka eitt umhverfisvænasta sjóskip - óviðjafnanlega öruggara fyrir umhverfið en olíuflutningaskip. Stærsti viðskiptavinur tankskipaflotans er Japan, sem hefur nánast enga staðbundna orkugjafa, og bygging gasleiðslur til eyjunnar er mjög erfitt verkefni. Japan er einnig með stærsta „garð“ gasbíla. Helstu birgjar fljótandi jarðgass (LNG) í dag eru Bandaríkin, Óman og Katar, Kanada.

Nýlega hefur reksturinn við að framleiða fljótandi kolvetni úr jarðgasi orðið sífellt vinsælli. Þetta er aðallega ofurhreint dísileldsneyti sem er búið til úr metani og búist er við að þessi iðnaður muni þróast á hraðari hraða í framtíðinni. Sem dæmi má nefna að orkustefna Bush krefst nýtingar staðbundinna orkugjafa og í Alaska er mikið af jarðgasi. Þessi ferli eru örvuð af tiltölulega háu olíuverði, sem skapar forsendur fyrir þróun dýrrar tækni - GTL (Gas-to-Liquids) er aðeins eitt þeirra.

Í grundvallaratriðum er GTL ekki ný tækni. Það var búið til á 20 af þýsku efnafræðingunum Franz Fischer og Hans Tropsch, sem getið var um í fyrri tölublöðum sem hluti af gerviefni þeirra. Hins vegar, öfugt við eyðileggjandi vetnun kola, fer hér fram ferlið við að tengja léttar sameindir í lengri tengi. Suður-Afríka hefur framleitt slíkt eldsneyti á iðnaðarskala síðan á fimmta áratugnum. Hins vegar hefur áhugi á þeim aukist á undanförnum árum í leit að nýjum tækifærum til að draga úr skaðlegri losun eldsneytis í Bandaríkjunum. Stór olíufélög eins og BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol og Royal Dutch/Shell eyða háum fjárhæðum í að þróa GTL-tengda tækni og vegna þessarar þróunar eru pólitískir og félagslegir þættir ræddir í auknum mæli í andlit hvata. skatta á neytendur hreins eldsneytis. Þetta eldsneyti mun gera mörgum neytendum dísileldsneytis kleift að skipta um það fyrir umhverfisvænni og mun draga úr kostnaði bílafyrirtækja við að mæta nýjum skaðlegum útblæstri sem sett eru í lögum. Nýlegar ítarlegar prófanir sýna að GTL eldsneyti dregur úr kolmónoxíði um 50%, kolvetni um 90% og sót um 63% án þess að þörf sé á dísilagnasíur. Þar að auki gerir lítið brennisteins eðli þessa eldsneytis kleift að nota viðbótarhvata sem geta dregið enn frekar úr útblæstri ökutækja.

Mikilvægur kostur við GTL eldsneyti er að hægt er að nota það beint í dísilvélum án breytinga á einingunum. Einnig er hægt að blanda þeim saman við eldsneyti sem inniheldur 30 til 60 ppm brennistein. Ólíkt jarðgasi og fljótandi jarðolíu er engin þörf á að breyta núverandi samgöngumannvirkjum til að flytja fljótandi eldsneyti. Að sögn Denis Yakubson, forseta Rentech, gæti þessi tegund eldsneytis fullkomlega verið viðbót við vistvæna efnahagslega möguleika dísilvéla og Shell er nú að reisa stóra $ 22,3 milljarða verksmiðju í Katar með hönnunargetu upp á XNUMX milljónir lítra af tilbúnu eldsneyti á dag. ... Stærsta vandamálið með þetta eldsneyti stafar af þeirri miklu fjárfestingu sem krafist er í nýrri aðstöðu og venjulega dýru framleiðsluferli.

Hauggasi

Hins vegar er uppspretta metans ekki aðeins neðanjarðar útfellingar. Árið 1808 gerði Humphry Davy tilraunir með hálmi sem sett var í lofttæmi og framleiddi lífgas sem innihélt aðallega metan, koltvísýring, vetni og köfnunarefni. Daniel Defoe talar einnig um lífgas í skáldsögu sinni um "týnda eyjuna". Hins vegar er saga þessarar hugmyndar enn eldri - á 1776. öld taldi Jan Baptita Van Helmont að hægt væri að fá eldfimar lofttegundir með niðurbroti lífrænna efna og Alexander Volta greifi (höfundur rafhlöðunnar) komst líka að svipaðri niðurstöðu. árið 1859. Fyrsta lífgasverksmiðjan tók til starfa í Bombay og var stofnuð sama ár og Edwin Drake framleiddi fyrstu vel heppnuðu olíuborunina. Indversk verksmiðja vinnur úr saur og útvegar gas fyrir götuljósker.

Það mun taka langan tíma áður en efnaferlar við framleiðslu lífgas eru skilnir og rannsakaðir til hlítar. Þetta varð aðeins mögulegt á þriðja áratug XX aldarinnar og er afleiðing stökk í þróun örverufræðinnar. Það kemur í ljós að þetta ferli stafar af loftfirrðum bakteríum, sem eru ein elsta lífsform jarðarinnar. Þeir „mala“ lífræn efni í loftfirrtu umhverfi (loftháð niðurbrot krefst mikils súrefnis og myndar hita). Slíkir ferlar eiga sér líka stað náttúrulega í mýrum, mýrum, hrísgrjónum, yfirbyggðum lónum osfrv.

Nútíma framleiðslukerfi fyrir lífgas eru að verða vinsælli í sumum löndum og Svíþjóð er leiðandi bæði í framleiðslu á lífgasi og ökutækjum sem eru aðlöguð til að keyra á því. Synthesis einingar nota sérhannaða lífræna rafala, tiltölulega ódýr og einföld tæki sem búa til hentugt umhverfi fyrir bakteríur, sem, allt eftir gerð þeirra, „virka“ best við hitastig á bilinu 40 til 60 gráður. Lokaafurðir lífgasverksmiðja, auk gass, innihalda einnig efnasambönd sem eru rík af ammoníaki, fosfór og öðrum frumefnum sem henta til notkunar í landbúnaði sem jarðvegsáburður.