книги / Нефтегазовое дело. Полный курс
.pdfние с вязкостью (15— 55) мм2/с и тяж ел ы е масла, которые использую т для смазки вы соконагруж енны х механизмов.
Вязкость неф ти и неф тепродуктов зависит от внеш него давления. И зменение вязко сти м асел с повы ш ением д авлен и я им еет больш ое практическое значение, так как в некоторых узл ах трен и я могут воз никать высокие давления. Т ак в подш ипниках коленчатого вала давл е ние достигает 20 М Па, а в зубчаты х передачах — нескольких сотен МПа. Вязкость вы соковязких неф тепродуктов с увеличением давлен ия по вы ш ается больш е, чем вязкость маловязких. При давлениях порядка 500 МПа вязкость м асел возрастает настолько, что они теряю т свой ства ж идкости и п ревращ аю тся в пластическую массу.
Важной областью прим енения неф тепродуктов на основе масел я в ляются к о н с и с т е н т н ы е см азки . Они состоят из двух основных компо нентов: дисперсионной среды (неф тяное или синтетическое масло) и дисперсной ф азы (параф ины , церезины , мыла, технологические ПАВ, графит и другие наполнители). П ринципиальная особенность этих про дуктов состоит в отсутствии текучести в статическом состоянии (при малых значениях напряжения сдвига ).С точки зрения реологии этому свой ству соответствует наличие внутренней структуры и как следствие — предела текучести. Консистентные см азки относятся к группе вязкоп ластичных м атериалов, и именно наличие предела текучести опреде ляет их инж енерны е прилож ения.
1.6.БИ О ТО П Л И ВО
Растущ ий спрос на энергоносители дал импульс для исполь зования альтернативны х источников энергии. В мире уж е идет конку рентная борьба м еж ду различны ми видами альтернативной энергетики, каждый из которых имеет свои преимущ ества и недостатки. Наиболее ш ирокое распространение получили такие разновидности биотоплива как биоэтанол, биодизель и биогаз.
К достоинствам б и о этан о л а (этилового спирта) помимо возобновля емости сы рья д л я его изготовления (в основном, сахарны й тростник и кукуруза) относится м еньш ее количество парниковы х газов и тверды х частиц в вы хлопе автомобиля, более высокое октановое число. Этанол используется в смеси с бензином, который благодаря такой экологичес кой добавке (до 10— 20% ), обогащ ается кислородом, что способствует более полному сгоранию и сокращ ению выбросов окиси углерода.
Другой вид альтернативного топлива из возобновляемого сы рья — биодизель (метиловый эф ир и др.) — такж е получил ш ирокое распрос транение. Его изготавливаю т из ж иров растительного или животного происхож дения. Сы рьем служ ит рапсовое, соевое и пальмовое масло. П ри добавлении в топливную смесь до 5 % он не требует специальной адаптации двигателя и топливной системы. П ри этом биодизель эколо гичнее обычного дизельного топлива.
Н аб и рает вес в мировом топливном балан се и биогаз, которы й по л учаю т и з б ы товы х отходов, м усор а и п род у ктов ж и зн е д е я те л ь н о сти ж ивотны х . Д остоинством этого ви да п р о и звод ства я в л я е т с я и з б авлен и е м егаполисов от свалок, которы е п р евр ати л и сь в н асто я
щее бедствие.
Из перечисленны х видов биотоплива наибольш ую популярность
завоевал этанол. Б рази ли я и СШ А ежегодно поставляю т на рынок по 16 млн т этого горючего. Эти государства стим улирую т ф ерм еров, вы ращ иваю щ их биомассу д л я переработки на этанол. О ж идается, что к 2030 г. производство биотоплива в СШ А достигнет 227 млн т.
В последние годы ры нок би отоплива стал р асш и р я ться . К числу го су д арств -п ро и зво д и тел ей , реали зу ю щ и х биоп роекты , добавились Я пония, К итай, И нди я, К ан ад а и др. Р а зв и т и е ры н ка би оэтан ола не о стал о сь б ез вн и м ан и я та к и х н е ф т я н ы х ком п ан ий как B P, S h ell,
Total.
Потенциал России по вы работке подобных возобновляемых источ
ников энергии оценивается в 400 млн т условного топлива в год. Д ля этого в России им еется 20 млн гектаров свободной паш ни, которы е можно использовать д л я вы ращ ивания соответствую щ его сырья. П ричем д ля переработки годится низкосортное зерно, из которого хлеб не испечешь. Здесь важ но найти «золотую середину», поскольку невостребованны е пахотны е зем ли можно использовать для пополнения рынка сельхоз продукции. По прогнозам мировые потребности в продовольствии к 2030 г. возрастут на 50%.
Наиболее очевидные выгоды от получения биотоплива заклю чаю т ся в том, что с помощью этих технологий можно избавляться от бы то вы х отходов и отходов сельскохозяйственного производства.
Объем производства топливного этанола в некоторы х странах при водится в табл. 1.10. В 2006 г. мировое производство биоэтанола соста вило около 50 млн т. Россия вы пустила в 2006 г. 647 тыс. т этанола, одна ко он используется не в качестве топлива, а на производство алкоголь ной продукции.
Таблица 1,10, Производство топливного этанола в некоторых странах в 2006 г. (тыс. т)
Бразилия |
16 998 |
США |
18376 |
Китай |
3849 |
Индия |
1900 |
Франция |
950 |
Германия |
765 |
Испания |
482 |
В больш инстве стран разработан ы нормативны е документы в отно шении производства и потребления биотоплива. В Европе топливная смесь биоэтанол— бензин м аркируется буквой Е. Концентрация этано ла в смеси мож ет достигать 85 %, однако в этом случае автомобили снаб жаются специально м одиф ицированны м двигателем . Эти так назы вае мые «гибридные автомобили» могут использовать и обычный бензин.
При переработке рассм отренны х вы ш е продуктов ф отосинтеза в биотопливо использую т различны е технологии: рапсовое масло полу чают прессованием, биоэтанол — ф ерм ентацией, биогаз — разлож ен и ем органики.
К а т а л и т и ч е с к и е технологи и . Ф отосинтез — мощный преобразо ватель солнечной энергии. Ежегодный прирост биомассы на Зем ле со ставляет 220 млрд т, что энергетически эквивалентно 4 - 1021 Дж. На д р е весину приходится около 90 % сод ерж ащ ей ся в биосф ере биомассы. Современные способы переработки древесной биомассы позволяю т по лучать синтез-газ» ж идкие органические топлива бионефть и биомазут,
атакж е биомасла и другие продукты .
Би о н еф ть — это продукт п иролиза древесного сы рья, п ред став ляющий собой густую см олянистую ж идкость калорийностью около 6000 кал/кг. П иролиз, осущ ествляем ы й при тем пературе до 600 °С без доступа воздуха, позволяет получить до 800 кг бионефти из тонны ис ходного сырья.
Освоена такж е технология получения жидкого топлива из биомас сы — это пиролиз в присутствии катализатора (каталитический пиро лиз). Подобная технология позволяет превращ ать любые углеводоро досодержащ ие отходы в горючее.
В последнее врем я д л я вовлечения в производство моторных топлив нетрадиционного сы рья все ш ире использую тся к а та л и т и ч е с к и е т е х нологии. Применение этих технологий позволяет дополнительно произ водить моторное топливо, сы рье для нефтехимии и тепловую энергию за счет нетрадиционных источников углеродсодерж ащ его сырья. Рассмот рим некоторые примеры применения каталитических технологий.
Н еф тегазовы е компании разрабаты ваю т и соверш енствую т техно логии создания синтетических ж идких топлив (СЖ Т) из углеводород ных газов. Это вы звано необходимостью реш ения следую щ их проблем:
• ути ли зац и я больш их ресурсов так назы ваемого низконапорного газа многих месторож дений;
• вовлечение в переработку попутного неф тяного газа и природного газа м алы х и средних месторождений;
• создание эф ф ективной системы транспортировки энергоносите лей из отдаленны х месторождений.
И звестны е технологии производства С Ж Т осущ ествляю тся по сл е дую щ ей цепочке:
•первая с т а д и я — получение синтез-газа;
•в т о р а я с т а д и я — синтез Ф и ш ера—-Тропша;
•т р е т ь я с т а д и я — ректи ф и кац ия и гидрокрекинг тяж ел ы х ф р ак ций углеводородов.
С 20-х гг. прошлого века известны технологии получения с и н т е т и ческих ж и д ки х то п л и в (СЖ Т) по м етоду Ф и ш ера— Тропша. Сущ ность метода заклю чается в превращ ении синтез-газа (смеси монооксида уг лерода и водорода) в вы сш ие углеводороды. В 1944 г. Герм ания произ вела по этому м етоду около 600 тыс. т дизельного топлива.
С и н т е з Ф иш ера—Тропш а (СФТ) — это экзотерм ический и в тож е врем я довольно медленный процесс, протекаю щ ий в присутствии ка тализаторов. В ходе синтеза образую тся ж идкие углеводороды, кото ры е накапливаю тся внутри пор катализатора. Ч асть первичны х про дуктов СФ Т удовлетворяет самым ж естким экологическим требовани ям: лигроин (С„— С ,.,) и дизельное топливо (С , — С !{) с цетановым числом 70, не содерж ащ ее серы. Ч асть первичны х продуктов С Ф Т явл яется ценным химическим сы рьем с гораздо более высокой стоимостью. Так стоимость а-олеф инов, которы е составляю т до 40 % ф ракции (С.,—Сй), составляла в ценах 2003 г. 700 долл, за тонну.
С троительство установок по производству синтетических ж идких топлив по СФ Т безусловно экономически оправдано при цене на неф ть выш е 30 долл./барр. при объеме производства 70 тыс. барр. в день. Эта технология м ож ет быть полезной в варианте плавучих заводов при р аз-
1.7. Возможности водородной энергетики |
45 |
работке малых и средних ш ельфовых месторождений природного газа. В условиях России технологии СФТ, вероятно, могут использоваться для переработки газов удаленных газовых месторождений и попут ны х не фт яных газов, которых в России извлекается ежегодно более 60 млрд м3.
Перспективным направлением использования каталитических тех нологий является переработка попутных нефтяных газов и мет аносо держ ащ их выбросов угольных шахт.
Ежегодный ресурс неиспользуемых (сжигаемых на факелах) попут ных газов в России достигает 17 млрд м3. Относительно простым реш е нием этой задачи является переработка газов (С1—С5) в дефицитные ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы). Реакции идут при высоких температурах (для разных газов от 710 до 1630 °С), напри мер, по следующей схеме:
6СН4 <-> С6Нб + 9Н2.
Для осуществления таких реакций используются в качестве катали заторов цеолиты с добавками металлов. В России создана первая промыш ленная установка ароматизации мощностью 250 тыс. т/год по сырью.
За счет добычи угля в атмосферу поступает около 10 % от всех ант ропогенных выбросов метана, что в пересчете на условное топливо со ставляет 40 млн т/год. При добыче угля разделяю т выбросы метана, образующиеся при дегазации угольных пластов перед началом угледо бычи (доля поступлений 15 %), и метановые выбросы за счет вентили рования угольных ш ахт (доля поступлений метана 85 %).
В России наиболее значимые выбросы метана связаны с шахтами Кузбасса. Здесь среднее содержание метана в угольных пластах дости гает 25 м3/т угля, а удельные выбросы достигают 8 кг метана на тонну добытого угля. Суммарные выбросы метана в атмосферу составляют 1,5— 2,0 млрд м3/год. Для утилизации метаносодержащ их выбросов угольных ш ахт разработан каталитический способ сжигания, основан ный на ф ильтрации нагретых вентиляционных выбросов через слой неподвижного катализатора.
17. ВОЗМОЖ НОСТИ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Развитие цивилизации и смена исторических эпох во мно гом характеризуется типом применяемых энергоносителей. В XIX сто летии основными энергоносителями были древесина и уголь. В XX сто летии основой мировой экономики стали нефть и природный газ. Эко-
номика, основанная на использовании углеводородов, подводит миро вое сообщество к энергетическому и экологическому кризису и геопо литическим потрясениям . О сознание неизбеж ности энергетического кризиса дает импульс поиску альтернативны х энергоносителей.
В частности, появилась концепция водородной энергетики, кото рая п редусм атри вает получение водорода при помощи возобновляе м ы х источников или атомной энергии и его дальнейш ее эф ф ективное использование в хим ической, м еталлургической и других о тр аслях промыш ленности. П реим ущ ественно водородная энергетика ориенти рована на использование водорода в качестве топлива д ля трансп орт ных энергетических установок, которы е явл яю тся главны м и п отре б ителям и ископаемого топлива и основными загр язн и тел ям и о к р у ж а ющ ей среды .
Водород по сравнению с другими энергоносителями им еет следую
щие преимущ ества:
•сырьем для получения водорода могут быть не только природные углеводороды, но и вода;
•водород можно использовать для получения синтетических ж и д
ких топлив (СЖ Т), более эф ф ективны х, чем ископаемые;
•для транспортировки и хранения С Ж Т можно использовать сущ е ствую щ ую инф раструктуру;
•водород и С Ж Т можно прим енять в сущ ествую щ их энергетичес ких установках и на транспорте;
•при сж игании водорода образуется меньш е вредны х вещ еств, чем при использовании природны х углеводородов;
•водород — единственное топливо для эф ф ективны х безмаш инны х
преобразователей энергии — топливных элементов.
В соответствии с законом сохранения энергии все энергетические процессы сводятся к трансф орм ации одного вида энергии в другой. О д нако водород им еет ряд недостатков, которы е пока сдерж и ваю т его ш ирокое использование в энергетике. Водород в 8 р аз легче природного газа, взры воопасен и хим ически активен, поэтому сущ ествует только в связанном виде. Эти недостатки можно устранить реш ением слож ны х технических проблем эф ф ективного получения водорода, созданием надеж ны х систем хранения, транспортировки и использования.
Н аиболее простым методом получения водорода является электро литическое разлож ение воды за счет избыточной энергии атомных элек тростанций. Недостатком этого метода являю тся большие затраты энер гии: на производство 1 мл водорода расходуется до 5 кВт *ч электро энергии.
\
Наиболее освоенным методом получения промыш ленного водорода является паровая конверсия природного газа. На первой стадии при тем пературе около 800 сС в присутствии катализатора происходит дес трукция метана и водяного пара на водород и оксид углерода. На вто рой стадии при тем пературе около 250 °С оксид углерода и вода п ревра щ аются в диоксид углерода и водород. Таким способом получаю т 90 % водорода, который используется на месте производства, что устраняет проблемы хранения и транспортировки водорода.
Использование водорода в качестве энергоносителя на транспорте требует создания инф раструктуры по хранению, заправке водородом, а такж е создания энергетических установок на основе топливных эле ментов. Реш ение этих проблем требует огромных капиталовлож ений. Например, потребности автотранспорта среднего города в водородном топливе оцениваются в 3 ■10Г) т/год (3 • 109 м3). Э нергозатраты на произ водство такого количества водорода электролизом воды составляю т при мерно 1,5 • 1010 кВт • ч, что требует использования мощности 2 млн кВт.
Бортовые системы хранения сжатого газообразного водорода вклю чают в себя толстостенные баллоны с многослойными стенками из не рж авею щ ей стали. Давление в баллонах 35 МПа, масса баллона дости гает 33 кг на 1 кг водорода. Такие системы хранения обеспечиваю т ав томобилю продет порядка 200 км.
При сж иж ении водорода его объем уменьш ается в 700 раз. Одной из проблем создания криогенных систем хранения водорода в жидком со стоянии является узкий интервал тем ператур от точки зам ерзания 17 К до точки кипения 20 К водорода. Таким образом, сущ ествую щ ие систе мы хранения водорода пока неприемлемы для транспорта вследствие технической слож ности и недостаточной безопасности в эксплуатации. Проблемой остается изменение свойств м еталла в водородной среде изза наступления водородной хрупкости.
Современные двигатели внутреннего сгорания могут быть приспо соблены для работы на водороде. П ри этом улучш аю тся экологические характеристики двигателей и отпадает необходимость в каталитичес ких нейтрализаторах, так как в вы хлопны х газах отсутствую т оксид углерода и диоксид углерода.
Теоретически наиболее эф ф ективно использование водорода в энер гетических установках на то п л и в н ы х э л е м е н т а х , которы е практичес ки бесшумны, имеют КПД до 65 % и количество вредны х выбросов на два порядка меньш е, чем у тепловы х маш ин. Х им ические процессы, протекаю щ ие в топливны х элем ен тах, противополож ны процессам
электролиза воды, в которых при пропускании тока через подкислен ную воду образую тся кислород и водород.
Принцип работы топливны х элем ентов следую щ ий. При пропуска нии кислорода и водорода ч ер ез пористы е электроды , р азд ел ен н о е электролитом , происходит соединение атомов водорода с годроксилом ОН. При этом образуется вода и вы свобож даю тся электроны, которое направляю тся во внешнюю цепь на полож ительны й заряд. На полож и тельном электроде электроны захваты ваю тся кислородом, в р езу л ьта те чего во внеш ней цепи образуется электрический ток. Кислород не преры вно пополняет в электролите расход ОН, а водород поддерж ива ет необходимое количество воды в электролите.
Топливные элементы отличаю тся типом электролита, рабочими тем пературам и, конструктивны м исполнением и типом материалов. П рак тическое применение получили низкотем пературны е топливные эле менты с твердополимерными щ елочными электролитам и, а такж е среДнетем пературны е ф осф орнокислы е элементы . Реальны м направлением является применение энергоустановок на топливны х элем ентах м ал°й мощности в децентрализованном энергоснабжении. В частности, подоб ные энергоустановки прим еняю тся на космических кораблях и подвод ных аппаратах.
Н а сегодня единственной действую щ ей промыш ленной энергоуста новкой явл яется ам ериканская РС -25 мощностью 200 кВт. В этой уста новке в качестве горючего используется природны й газ, и з которого паровы м риформингом п олучается водород, а в качестве окислителя используется кислород воздуха.
1.8.ЭНЕРГЕТИКА БУДУЩ ЕГО
И з всех энергетических кризисов индустриально р азви тее страны вы ходили конкурентоспособными. И х экономика становилась менее затратной и более эффективной. Высокие цены на неф ть и гр ает для потребителей стимулирующ ую, оздоровляю щ ую роль. С помощью высоких цен на неф ть рынок избавляется от многих участников, кото рые потеряли динамизм. Происходит своеобразный естественный отбор-
Технологии постоянно соверш енствую тся, и это в скором времени приведет к сущ ественной перестройке мирового ры нка нефти. Кон®Д каменного века наступил не потому, что кончились камни, а потому что на смену камням приш ла бронза. Т ак кончится и век энергетической
нефти, но не в геологическом смысле — неф ть в недрах останется, а в технологическом. На смену нефти неизбеж но придут другие энергоно сители. Многие откры тия уж е сделаны. Они только ж д ут своего часа.
Ежегодно в мире добывается около 13 млрд т условного топлива, что примерно эквивалентно 5 • 1017 кДж энергии. Темпы расходования р е сурсов опереж аю т темпы их возобновления. П ланетарны е ресурсы ч е рез производство и потребление становятся планетарны м и стоками. Основная угроза земной цивилизации исходит ИЗ того, что человече ство более 80 % энергии производит, сж игая ископаемое топливо. От этого в атм осф ере накапливается 3 млрд, т угл«фода в год, а к 2020 г. выбросы возрастут вдвое.
Вся техническая мощь современной цивилизации бази руется на ис пользовании энергии, которая основана на изъяти и кислорода воздуха. Все технологии получения энергии путем окисления разруш аю т атм ос ф еру Зем ли, так как необратимо связы ваю т атм осф ерны й кислород в воду. С ж игание 1 кг бензина поглощ ает из воздуха 3,5 кг кислорода, р е акции окисления продуктов нефтедобычи в течение года поглощают из атм осферы около 12 млрд т кислорода. Сгорание 1 кг природного газа поглощает 4 кг кислорода, добытый за год природный газ, сгорая, по глощ ает из атм осф еры более 11 м лрд т кислород^- В воздухе сегодняш них мегаполисов содерж ится всего 17 % кислорода при естественном уровне 21 %.
П роцессы горения оказы ваю т на клим атическую систем у Зем ли двойное воздействие: во-первы х, уменьш аю т содерж ание кислорода в атм осф ере, истощ ая озоновую защ иту Зем ли и ум еньш ая атм осферное давление; во-вторы х, вы брасы ваю т огромное количество разогреты х водяных паров и углекислого газа. Только возобновляемые источники энергии и топливо, не связы ваю щ ее при горений атм осф ерны й кисло род в воду, станут основой энергетики в ближ айш ем будущем. Техно логиям, которые безвозвратно уничтож аю т кислород атм осф еры , в но вой эколого-энергетической цивилизации места не будет. Необходима реконструкция мировой энергетики.
М ировое сообщ ество волнует вопрос: грозит ли человечеству пол ное истощ ение энергоресурсов? Сегодня человечество долж но преодо леть глобальны й экологический кризис и перейти к новой ц и ви ли за ции — цивилизации возобновляемых и сто ч н и ко в энергии.
В мировом потреблении первичны х энергоресурсов ведущ ее место принадлеж ит нефти: на ее долю приходится 35 $4 на уголь 24 %; на газ 21 %. Н еф ть — это важ нейш ий геополитический ф актор разви ти я ми-
ровой экономики. К сож алению , лиш ь 10 % добываемой неф ти подвер гается химико-технологической переработке, остальные 90 % сж игаю тся в виде моторного и котельного топлива. П ри соврем енны х тем пах добы чи доказанны х запасов неф ти хватит на 60 лет.
М ировые доказанны е запасы газа составляю т 160 м лрд мя при годо вой добыче около 3 м лрд м3 И з них примерно 150 м лрд м3 природного газа экспортировалось в сж иж енном виде. При современном мировом уровне добычи газа обеспеченность запасам и составляет 60 лет. В эти циф ры не входят скопления газа в особом состоянии — газовые ги дра т ы , которы х под океанским дном содерж и тся огромное количество: только на суш е и ш ельф е СШ А 6000 трлн м3.
Уголь на протяж ении индустриальной эпохи не имел конкурентов. В новейшую эпоху уголь оказался вытесненным углеводородными энер гоносителями. Доказанные запасы угля в мире составляю т 1040 млрд т, причем на СШ А, Россию и Китай приходится 52 % запасов. СШ А и Китай добывают в год почти по 1 млрд т угля. В мире в год добывается 4,4 млрд т угля. Обеспеченность мировыми запасам и угля составляет 230 лет.
Мировые запасы урана превышают 3 млн т. В мире работают 436 энергобглдазъ, которы е потребляю т в год до 60 ты с. т урана. Доля АЭС в ш а ровом эн ергобалан се с о ставл яет 6 %, что эк ви вален тн о м енее чем 0,4 м лрд т условного топлива. По всей видимости, эта доля до 2100 г. не увеличится: в последние годы атом ная отрасль сталкивается с пробле мами политического и экологического характера. Ш веция и Германия н ам ер еваю тся сверн уть атом ную энергетику . С ерьезн ую проблем у представляет безопасное хранение возрастаю щ их запасов отработан ного ядерного топлива и ядерны х отходов. Сегодня в хранилищ ах их на коплено около 25Û тыс. т.
Ч еловечество давно использует энергию воды. Сейчас в мире с по мощью ГЭС вы рабаты вается около 7 % от общего производства элект роэнергии. В киловатт-часы можно успеш но конвертировать течение воды во врем я приливов и отливов. Н априм ер, приливная станция на реке Ране во Ф ранции имеет мощность 240 МВт. Энергия морских волн значительно вы ш е энергии приливов. Н априм ер, акватория площ адью 25 км 2, оснащ енная преобразователям и в виде закрепленны х на дне буйков, м ож ет снабж ать электричеством целую область. Строительство новых ГЭС позволит к 2100 г. удвоить производство гидроэнергии и до вести ее до эквивалента 0,7 м лрд т условного топлива.
Сегодня у ж е 5 % мировой чистой энергии производится в е т р я н о й энергетикой . Р азраб аты вается новый тип ветрогенератора — напол ненный гелием привязной аэростат, подняты й на вы соту до 300 м.