Переработка газообразного топлива

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОУ ВПО БКЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ БИЗНЕСА И СЕРВИСА

Кафедра   экономика и управление на

 предприятии (в городском  хозяйстве)

 

 

 

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

На тему: «Переработка газообразного топлива»

 

 

 

 

Выполнила:

студентка группы 171003                                                               О. М. Городова

 

 

Руководитель:                                                                   к.ф-м.н. Г. И. Ткаченко

 

 

 

 

 

 

Белгород, 2011 г.

Содержание

Введение…………………………………………………………………………...3

  1. Газообразное топливо и его характеристика……………………………..5
    1. Классификация и состав газообразных топлив…………………...5
    2. Сырьевые источники природного газообразного топлива……...10
    3. Значение и область применения газообразного топлива………..14
  2. Технологические методы переработки газообразного топлива……….18
    1. Подготовка газообразного топлива…………………………………...18
    2. Переработка различных видов газообразных топлив……………….19
    3. Конверсия углеводородных газов…………………………………….27
  3. Совершенствование процессов переработки газообразного топлива…32
    1. Способ получения углеводородов из газообразных продуктов плазменной переработки твердых отходов (варианты)……………...32
    2. Реакторная система для получения газообразных продуктов………34
    3. Способ переработки газоконденсата………………………………….37

Заключение……………………………………………………………………….40

Список используемых источников……………………………………………..43

Приложения……………………………………………………………………...45

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Топливом называют существующие в природе или искусственно полученные вещества, являющиеся источником тепловой энергии и сырьем для химической промышленности

Роль топлива в народном хозяйстве страны велико и все время возрастает, так как бурное развитие промышленности органического синтеза – производство пластических масс, химических волокон, синтетических каучуков, красителей, растворителей и т.д. – требует огромных количеств углеродного сырья, которое получается в результате химической переработки различных топлив

Все топлива можно разделить по агрегатному состоянию на твердые, жидкие и газообразные, а по происхождению – на естественные и искусственные. В свою очередь естественные топлива делятся на твердые (угли, древесина, сланцы, торф), жидкие (нефть) и газообразные (природные и попутные газы).

Газообразное топливо обладает рядом преимуществ по сравнению с твердым и жидким топливом, которые обусловлены его свойствами. При сгорании газа можно довести до минимума потерю теплоты с уходящими в дымовую трубу продуктами горения; при сгорании газа не образуется золы, шлака, дыма. Газ можно транспортировать самым дешевым видом транспорта – трубопроводом. По этим причинам газообразное топливо находит все более широкое применение в промышленности, а так же в качестве бытового топлива и топлива для автотранспорта.

Данная работа ставит перед собой целью рассмотреть, как именно происходят процессы переработки газообразного топлива. Кроме того, необходимо подробно рассмотреть технологические схемы переработки, конверсии и газификации.

Задачи работы заключаются в следующем:

  1. рассмотреть классификацию и состав газообразных топлив
  2. изучить происхождение видов газообразного топлива
  3. проанализировать значение и область применения газообразного топлива
  4. рассмотреть подготовку газообразного топлива
  5. изучить методы переработки  разных видов газообразного топлива
  6. рассмотреть конверсию углеводородных газов
  7. проанализировать совершенствование процессов переработки газообразного топлива

Интерес к данной теме связан, прежде всего, с тем, что газообразное топливо  может быть использовано не только в качестве обычного энергетического ресурса, но и в качестве сырья. Так, например, изделия и материалы, производимые на основе переработки газообразного топлива имеют место быть в химической, металлургической, горной, пищевой, деревообрабатывающей, медицинской, строительной, топливно-энергетической и текстильной промышленности, а также в машиностроении, сельском хозяйстве, культуре и в быту.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    1. Газообразное топливо и его характеристика

 

      1. Классификация и состав газообразных топлив

 

Газообразным топливом называется топливо, находящееся в состоянии газа при температуре и давлении его эксплуатации. Таким образом, газообразное топливо может храниться и транспортироваться в жидком (сжиженный газ) и в твердом (например, гидриды водорода) состоянии.

По происхождению газообразное топливо подразделяется на природное (ископаемое топливо) и синтетическое. К газообразному топливу относятся также отходы некоторых металлургических (доменный газ) и химических производств.

К природному газообразному топливу относятся различные природные горючие газы, представляющие собой естественные смеси углеродов различного состава и строения:

- собственно природные  газы, месторождения которых не  связаны с месторождениями нефти;

- попутные газы, которые  растворены в нефти или находятся  над скоплениями ее в виде  «газовой шапки», то есть газы, месторождения которых генетически связаны с месторождениями нефти;

- газы газоконденсатных  месторождений, обогащенные жидкими  легкокипящими углеводородами, которые  отделяются от газа при снижении  давления в виде жидкой фазы  – конденсата.

К синтетическому газообразному топливу относятся разнообразные горючие газы, полученные при переработке твердого и жидкого топлива: газы нефтепереработки, генераторные газы, обратный коксовый газ и другие.

Классификация газообразных топлив представлена на рис. 1.1.

Более наглядно газообразное топливо можно классифицировать иначе:

- пропан C3H8 — органическое вещество класса алканов. Содержится в природном газе, образуется при крекинге нефтепродуктов. Ядовит. Применяется в качестве топлива при: при выполнении газопламенных работ на заводах и предприятиях, при кровельных работах, для обогрева производственных помещений, для газовых плит, водогрейных колонок в пищевой промышленности, в быту. В последнее время широко используется в качестве автомобильного топлива, т.к. дешевле и экологически безопаснее бензина.

- бута́н C4H10— органическое соединение класса алканов. Ядовит, вдыхание   бутана вызывает   дисфункцию   лёгочно-дыхательного аппарата.

Содержится в  газовом конденсате и нефтяном газе (до 12 %).  Является

Продуктом  каталитического  и  гидрокаталитического крекинга нефтяных

фракций. При полном сгорании на воздухе образует углекислый газ и воду. Бутан применяется   в смеси  с пропаном в зажигалках, в газовых баллонах в

сжиженном состоянии, где он имеет запах, так как содержит специально

добавленные одоранты. При этом используются «зимние» и «летние» смеси с

 различным составом.

- метан СН4 – простейший углеводород, бесцветный газ без запаха. Малорастворим в воде, легче воздуха. Сам по себе метан не токсичен и не опасен для здоровья человека. Область применения метана: топливо, продукты хлорирования используются в огнетушителях, а так же как снотворное, или растворитель, производство продукта дегидрирования-ацетилена, продукт конверсии-синтез-газ. Используется для производства метанола и формальдегида, а следовательно и полимеров, медикаментов и денатурирующих и дезинфицирующих материалов. Также из синтез-газа изготавливаются аммиак и удобрения.

- водород Н2 - первый элемент периодической системы элементов. Лёгкий бесцветный газ. В смеси с воздухом или кислородом горюч и взрывоопасен. Нетоксичен. Область применения водорода: химическая промышленность, пищевая промышленность, авиационная промышленность, топливо.

- сжатый природный газ - используется в качестве моторного топлива вместо бензина, дизельного топлива и пропана. Не токсичен в малых концентрациях. Не вызывает коррозии металлов. Компримированный природный газ дешевле, чем любое нефтяное топливо, в том числе и дизельное, но по калорийности их превосходит. Низкая температура кипения гарантирует полное испарение природного газа при самых низких температурах окружающего воздуха. Природный газ сгорает практически полностью и не оставляет копоти, ухудшающей экологию и снижающей КПД. Отводимые дымовые газы не имеют примесей серы и не разрушают металл дымовой трубы. Эксплуатационные затраты на обслуживание газовых котельных также ниже, чем традиционных.

- смеси- сжиженные углеводородные газы (СУГ)— смесь сжиженных под давлением лёгких углеводородов с температурой кипения от −50 до 0 °C. Предназначены для применения в качестве топлива. Состав может существенно различаться, основные компоненты: пропан, пропилен, изобутан, изобутилен, н-бутан и бутилен. Производится в основном из попутного нефтяного газа. Транспортируется и хранится в баллонах и газгольдерах. Применяется для приготовления пищи, кипячения воды, отопления, используется в зажигалках, в качестве топлива на автотранспорте.

Состав газообразного топлива зависит от его природы, происхождения и способа получения. Природные газы состоят преимущественно из метана с незначительным содержанием других низших алканов оксида углерода и азота. В попутных газах содержится значительное количество алканов от этана до пентана и выше, при относительно низком содержании метана. Газы газоконденсатных месторождений в них колеблется от 10 до 350 г/м3. Во всех углеводородных газах природного происхождения содержатся в различных количествах азот, оксид углерода (IV), сероводород, аргон и гелий.

Рис.1.1. Классификация газообразного топлива

 

В состав газов нефтепереработки входят помимо алканов низшие алкены и водород. Горючие газы, получаемые переработкой твердого топлива, существенно различаются по составу, однако общим для них является высокое содержание водорода, азота и оксида углерода (IV), что связано с особенностями их получения.

Средний состав газообразного топлива различного происхождения приведен в табл. 1.1, 1.2 и 1.3.

 

Таблица 1.1

Состав газов нефтепереработки (% об.)

 

Компонент

Метод переработки

Термический крекинг

Пиролиз керосина

Каталитичес-кий крекинг

Каталитичес-кий риформинг

Гидро-крекинг

1

2

3

4

5

6

Метан

16,0

41,4

3,4

13,0

6,9


 

продолжение табл. 1.1

 

1

2

3

4

5

6

Этан

17,0

8,3

2,8

21,0

14,0

Пропан

21,5

1,0

10,7

32,0

44,7

Бутан

19,5

5,4

31,0

28,0

34,4

Этилен

2,5

22,0

4,5

-

-

Пропилен

9,0

14,5

23,8

-

-

Бутилены

14,3

11,7

23,7

-

-

Водород

0,2

0,6

0,1

6,0

-


 

Таблица 1.2

Состав газов природного происхождения (% об.)

 

Вид газа

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12 и выше

CO2, N2, H2, He

Природный

98,9

0,3

0,2

0,1

-

0,5

Попутный

30,8

7,5

21,5

20,4

19,8

-

Газоконденсатных месторождений

84,7

4,6

1,6

0,8

1,9

6,4


 

Таблица 1.3

Состав газов переработки твердого топлива (% об.)

 

Компонент газа

Вид газа

Полукок-сования

Обратный коксовый

Сланцевый

Подземной газификации

Водород

17-30

52-60

22-28

13-9

Метан

55-65

22-30

15-18

1,5-2,5

Алкены

2-7

1,5-3

5,2-5,5

0,2


 

продолжение табл. 1.3

 

Сероводород

0,2-0,3

0,2-0,3

0,2-0,3

0,5-1,7

Оксид углерода (II)

5-8

5,5-8

9-12

3-19

Оксид углерода (IV)

4-10

1,7-2,8

14-17

10-29

Кислород

0,1-3

0,3-1,2

0,5-10

0,2-0,6

Азот

3-8

4-8

23-31

48-56


 

 

    1. Сырьевые источники природного газообразного топлива

 

Все запасы газообразного топлива на Планете по степени из разведанности делятся на три категории:

- промышленные (разведанные) запасы, на основании которых составляются проекты разработки месторождений и проекты газопроводов;

- запасы, установленные на  основании благоприятных геолого-физических  данных и являющиеся основанием  для организации разведочных  работ на конкретных земельных площадях;

-прогнозируемые запасы, устанавливаемые на основе анализа  общих геологических критериев  нефтегазоносности.

Разведанные запасы природного газообразного топлива на Земле превышают 60 трлн. м3, а прогнозируемые запасы оцениваются в 200 трлн. м3. Крупнейшие газовые месторождения находятся в Алжире, США, Иране, Нидерландах. В РФ открыто около 500 газовых, газоконденсатных и газонефтяных месторождений с запасами топлива в них свыше 1 трлн. м3. Важнейшими из них являются Уренгойское, Заполярное, Медвежье, Ямбургское газовые, Оренбургское, Вуктыльское (Коми АССР) и Астраханское газоконденсатные месторождения. Все разведанные запасы газа в стране оцениваются в 31 трлн. м3.

Месторождения газообразного топлива в РФ распределены неравномерно как по территории, так и по глубине залегания. Из общего количества разведанных запасов 75% приходится на районы Сибири и Дальнего Востока, причем основные запасы газа падают на месторождения Тюменской области. Глубина залегания газовых месторождений колеблется от 0,1 до 5 км; при этом на глубинах 1 – 3 км сосредоточено около 85% всего газа.

Попутный нефтяной газ выделяется из нефти при ее добыче и стабилизации. Природный газ и газ газоконденсатных месторождений находятся в газовых залежах под давлением 5 – 10 МПа, которое создается напором пластовых вод и давлением горных пород. Поэтому эти газы извлекают через сеть скважин фонтанным способом, при котором газ поднимается на поверхность за счет пластового давления. Так как при свободном истечении газа энергия пласта расходуется нерационально и возможно разрушение скважины, расход газа ограничивают, устанавливая на выходе скважины штуцер. С помощью которого регулируют количество отбираемого из скважины газа.

Современный газовый промысел представляет сложный технический комплекс, в состав которого входят эксплуатационные скважины, газосборные сети с установками по сбору газа, компрессорные, холодильные и газораспределительные станции.

Сбор газа на промысле организуется по кольцевой или лучевой схемам. На рис. 1.2 представлена наиболее распространенная кольцевая схема сбора газа.

Рис. 1.2. Кольцевая схема сбора газа на промысле:1 – газовые скважины, 2 – промысловый коллектор, 3 – сборный пункт газа, 4 – перемычка на кольцевом коллекторе, 5 – регулировочные штуцеры.

 

Число скважин, подключаемых к пунктам сбора газа, зависит от размера месторождения, конфигурации газовой залежи, системы расположения скважин и параметров извлекаемого газа (состав, давление, температура).

Важнейшей характеристикой работы газового промысла является коэффициент извлечения газа при эксплуатации или газоотдача месторождения. В отличие от коэффициента извлечения твердых ископаемых (50 – 60%) и нефтеотдачи (30 – 40%) газоотдача значительно выше и составляет в среднем 85%, достигая в отдельных случаях 92% и более. Это объясняется малой вязкостью и высокой упругостью газа по сравнению с нефтью и низким коэффициентом сорбции газа горными породами. При указанной газоотдаче время эксплуатации газового месторождения составляет 15 – 20 лет.

Масштабы добычи природного газообразного топлива непрерывно возрастают. С начала разработки газовых месторождений из недр добыто 24,4 трлн. м3 газа. Если в 1970 году мировая добыча газа составляла 1, 03 трлн. м3, то в 1987 году она возросла до 1,77 трлн. м3. В РФ в 1993 году было добыто 638 млрд. м3 газа, что составило 30% энергетического баланса страны.

Добытый газ перед транспортировкой очищают от механических примесей и капель жидкости в сепараторах различного типа, после чего для предотвращения коррозии газопроводов подвергают осушке и очистке от сернистых соединений.

Для осушки газа используют абсорбционный или адсорбционный методы. При абсорбционной осушке газ промывают в скрубберах диэтиленгликолем, при адсорбционной – влагу удаляют при пропускании газа через колонны, наполненные силикагелем или синтетическим цеолитом.

Для удаления сернистых соединений применяют мокрые методы, основанные на поглощении соединений серы растворами слабо щелочных реагентов, обычно карбонатов

 

K2CO3 + H2S

KHS + KHCO3                                                      (1)

 

или моноэтаноламина

 

2HOC2H4NH2 + H2S

(HOC2H4NH3)2+S-2                 (2)

 

с последующей регенерацией абсорбента нагреванием раствора соли.

Газы газоконденсатных месторождений помимо общей очистки подвергаются низкотемпературной сепарации. При этом, за счет резкого снижения давления, пары воды и жидких углеводородов в газе конденсируются и отделяются от газа, после чего конденсат разделяется на воду и углеводородный слой.

Для транспортировки газообразного природного топлива используются газопроводы диаметром до 1 м, по которым газ под давлением 7 МПа перемещается со скоростью до 500 метров в минуту. Для компенсации падения давления по длине газопровода, через каждые 80 – 100 км установлены специальные компрессионные станции, оборудованные газоперекачивающими агрегатами. Длина газопроводов в России составляет 65000 км. Важнейшими и наиболее протяженными из них являются газопроводы: Саратов – Москва (843 км), Ставрополь – Москва (1254 км), кольцевой газопровод Московской области (1000 км), Краснодар – Серпухов (1773 км), Саратов – Череповец (1118 км), Серпухов – Санкт-Петербург (803 км) и другие.

 

1.3. Значение и область применения газообразного топлива

 

Газообразное топливо с каждым годом находит все более широкое применение в различных отраслях народного хозяйства. В сельскохозяйственном производстве газообразное топливо широко используется для технологических (при отоплении теплиц, парников, сушилок, животноводческих и птицеводческих комплексов) и бытовых целей.

В последнее время его все больше стали применять для двигателей внутреннего сгорания. По сравнению с другими видами газообразное топливо обладает следующими преимуществами:

- сгорает в теоретическом  количестве воздуха, что обеспечивает высокие тепловой кпд и температуру горения;

- при сгорании не образует  нежелательных продуктов сухой  перегонки и сернистых соединений, копоти и дыма;

- сравнительно легко подводится  по газопроводам к удаленным  объектам потребления и может храниться централизованно;

- легко зажигается при  любой температуре окружающего  воздуха;

- требует сравнительно  небольших затрат при добыче, а значит, является по сравнению  с другими более дешевым видом  топлива;

- может быть использовано  в сжатом или сжиженном виде для двигателей внутреннего сгорания;

- обладает высокими противодетонационными  свойствами;

- при сгорании не образует  конденсата, что обеспечивает значительное  уменьшение износа деталей двигателя  и т.п.

Вместе с тем газообразное топливо имеет также определенные отрицательные свойства, к которым относятся: отравляющее действие, образование взрывчатых смесей при смешении с воздухом, легкое протекание через неплотности соединений и др. Поэтому при работе с газообразным топливом требуется тщательное соблюдение соответствующих правил техники безопасности.

Применение газообразных видов топлива обусловливается их составом и свойствами углеводородной части. Наиболее широко применяются природный или попутный газ нефтяных или газовых месторождений, а также заводские газы нефтеперерабатывающих и других заводов. Основными составляющими компонентами этих газов являются углеводороды с числом углеродных атомов в молекуле от одного до четырех (метан, этан, пропан, бутан и их производные).

Применение газообразного топлива для двигателей внутреннего сгорания. Непрерывно увеличивающийся парк автомобилей требует все большего количества топлива. Решить важнейшие народнохо-зяйственные проблемы стабильного обеспечения автомобильных двигателей эффективными энергоносителями и сокращения потребления жидкого топлива нефтяного происхождения возможно за счет использования газообразного топлива – сжиженного нефтяного и природного газов. Для автомобилей используют только высококалорийные или среднекалорийные газы. При работе на низкокалорийном газе двигатель не развивает необходимой мощности, а также сокращается дальность пробега автомобиля, что экономически невыгодно.

Применение сжатых газов. Выпускают следующие виды сжатых газов: природный, коксовый механизированный и коксовый обогащенный Основным горючим компонентом этих газов является метан. Так же как и для жидкого топлива, наличие в газообразном топливе сероводорода нежелательно из-за его коррозионного воздействия на газовую аппаратуру и детали двигателя. Октановое число газов позволяет форсировать автомобильные двигатели по степени сжатия (до 10 - 12). Основным горючим компонентом этих газов является метан. Так же как и для жидкого топлива, наличие в газообразном топливе сероводорода нежелательно из-за его коррозионного воздействия на газовую аппаратуру и детали двигателя. Октановое число газов позволяет форсировать автомобильные двигатели по степени сжатия (до 10 - 12).

В газе для автомобилей крайне нежелательно присутствие циана CN. Соединяясь с водой, он образует синильную кислоту, под действием которой в стенках баллонов образуются мельчайшие трещины. Наличие в газе смолистых веществ и механических примесей приводит к образованию отложений и загрязнений на приборах газовой аппаратуры и на деталях двигателей.

Наиболее часто на автомобилях устанавливают цилиндрические баллоны, рассчитанные на рабочее давление 20 МПа. В одном баллоне (вместимостью по воде 50 л) находится 10 м3 газа при температуре 20 °С и давлении 101,08 кПа. Масса заполненного баллона составляет около 65 кг, т.е. на 1 м3 газа приходится приблизительно 6,5 кг. Установка на автомобиль газовых баллонов вызывает снижение полезной грузоподъемности на 12 - 20 %, дальность пробега примерно на 200 км. Мощность также несколько снижается. Мощность двигателей снижается из-за меньшей теплоты сгорания газовоздушной смеси по сравнению с бензовоздушной и меньшего коэффициента наполнения цилиндров. Эксплуатационные качества автомобилей, работающих на бензине и гаге, выравнивают за счет повышения на 23 ... 25 % степени сжатия в двигателях, работающих на газе.

Применение сжиженных газов. Для газобаллонных автомобилей используют пропанбутановые фракции нефтяных и не нефтяных газов. Теплота сгорания этих фракций составляет около 46 055 кДж/м3, октановое число у сжиженных газов выше, чем у бензинов, и находится в пределах 90 … 120 ед. При работе двигателей на газообразном топливе улучшаются условия работы моторного масла, которое значительно меньше загрязняется различными примесями. Так, концентрация загрязняющих примесей в масле двигателя автомобиля ЗИЛ-158, работавшего на газообразном топливе, после 5000 км пробега составляла 0,07 %, а после 10 000 км – 0,11 %; в моторном масле двигателя автомобиля ЗИЛ-158, работавшем на бензине, концентрация загрязнений после 5000 км составляла 0,4 %.

Переработка газообразного топлива