Toetsrit-alternatiewe: DEEL 1 - Gasbedryf
In die 70's het Wilhelm Maybach met verskillende ontwerpe van binnebrandenjins geëksperimenteer, meganismes verander en besin oor die geskikste legerings vir die vervaardiging van individuele onderdele. Hy vra hom gereeld af watter van die destydse bekende brandbare stowwe die geskikste is om in hitte-enjins te gebruik.
In die 70's het Wilhelm Maybach met verskillende ontwerpe van binnebrandenjins geëksperimenteer, meganismes verander en besin oor die geskikste legerings vir die vervaardiging van individuele onderdele. Hy vra hom gereeld af watter van die destydse bekende brandbare stowwe die geskikste is om in hitte-enjins te gebruik.
In 1875, toe hy 'n werknemer van die Gasmotorenfabrik Deutz was, het Wilhelm Maybach besluit om te toets of hy 'n gasenjin op vloeibare brandstof kan laat loop - meer presies, op petrol. Dit het by hom opgekom om te kyk wat sou gebeur as hy die gaskraan toemaak en eerder 'n stuk lap geweek in petrol voor die inlaatspruitstuk plaas. Die enjin stop nie, maar hou aan werk totdat dit al die vloeistof uit die weefsel "suig". Dit is hoe die idee van die eerste geïmproviseerde "vergasser" gebore is, en na die skepping van die motor het petrol die hoofbrandstof daarvoor geword.
Ek vertel hierdie storie om u daaraan te herinner dat voordat die petrol as alternatief vir brandstof verskyn het, die eerste enjins gas as brandstof gebruik het. Toe gaan dit oor die gebruik van (beligtings) gas vir beligting, verkry deur metodes wat nie vandag bekend is nie, maar deur steenkool te verwerk. Die enjin, uitgevind deur die Switser Isaac de Rivac, die eerste "natuurlik geaspireerde" (ongekomprimeerde) industriële Ethylene Lenoir-enjin sedert 1862, en die klassieke vierslag-eenheid wat 'n bietjie later deur Otto geskep is, loop op gas.
Hier is dit nodig om die verskil tussen aardgas en vloeibare petroleumgas te noem. Aardgas bevat 70 tot 98% metaan, met die res hoër organiese en anorganiese gasse soos etaan, propaan en butaan, koolstofmonoksied en ander. Olie bevat ook gasse in verskillende verhoudings, maar hierdie gasse word deur fraksionele distillasie vrygestel of word deur sommige neweprosesse in raffinaderye geproduseer. Gasvelde verskil baie - suiwer gas of "droë" (dit wil sê, bevat hoofsaaklik metaan) en "nat" (wat metaan, etaan, propaan, sommige ander swaarder gasse bevat, en selfs "petrol" - ligte vloeistof, baie waardevolle breuke) . Die soorte olies verskil ook, en die konsentrasie gasse daarin kan óf laer óf hoër wees. Velde word dikwels gekombineer - gas styg bo olie en dien as 'n "gasdop". Die samestelling van die “cap” en die hoofolieveld sluit die stowwe wat hierbo genoem is in, en verskeie fraksies, figuurlik gesproke, “vloei” in mekaar. Die metaan wat as voertuigbrandstof gebruik word, "kom" van aardgas, en die propaan-butaanmengsel wat ons ken, kom van beide aardgasvelde en olievelde. Sowat 6% van die wêreld se aardgas word uit steenkoolafsettings vervaardig, wat dikwels met gasneerslae gepaard gaan.
Propaan-butaan verskyn op 'n ietwat paradoksale manier op die toneel. In 1911 het 'n woedende Amerikaanse kliënt van 'n oliemaatskappy sy vriend, die beroemde apteker dr. Snelling, opdrag gegee om uit te vind wat die redes vir die geheimsinnige gebeurtenis was. Die rede vir die verontwaardiging van die klant is dat die klant verbaas is om te hoor dat die helfte van die vulstasie se tenk pas gevul is. Ford Sy verdwyn op 'n onbekende manier tydens 'n kort rit na sy huis. Die tenk vloei nie uit die niet uit nie ... Na baie eksperimente het dr Snelling ontdek dat die rede vir die raaisel die hoë inhoud van propaan en butaangasse in die brandstof was, en kort daarna het hy die eerste praktiese metodes vir distillering ontwikkel. hulle. Dit is as gevolg van hierdie fundamentele vordering dat Dr Snelling nou as die 'vader' van die bedryf beskou word.
Veel vroeër, ongeveer 3000 jaar gelede, het herders 'n 'vlammende fontein' op die berg Paranas in Griekeland ontdek. Later is 'n tempel met vlammende kolomme op hierdie 'heilige' plek gebou, en die orakel Delphius het sy gebede voor die majestueuse kolos gelees, wat mense 'n gevoel van versoening, vrees en bewondering laat voel het. Van hierdie romantiek gaan vandag verlore omdat ons weet dat die bron van die vlam metaan (CH4) is wat vloei uit krake in gesteentes wat verband hou met die dieptes van die gasvelde. Daar is soortgelyke brande op baie plekke in Irak, Iran en Azerbeidjan aan die kus van die Kaspiese See, wat ook al eeue lank brand en al lank bekend staan as die "Ewige vlamme van Persië."
Baie jare later het die Chinese ook gasse van die lande gebruik, maar met 'n baie pragmatiese doel - om groot ketels met seewater te verhit en sout daaruit te onttrek. In 1785 het die Britte 'n metode geskep om metaan uit steenkool te vervaardig (wat in die eerste binnebrandenjins gebruik is), en in die vroeë twintigste eeu het die Duitse chemici Kekule en Stradonitz 'n proses gepatenteer om swaarder vloeibare brandstof daaruit te vervaardig.
In 1881 het William Hart die eerste gasput in die Amerikaanse stad Fredonia geboor. Hart het lank gesien hoe die borrels na die oppervlak van die water in 'n nabygeleë baai opkom en besluit om 'n gat van die grond af na die voorgestelde gasveld te grawe. Op 'n diepte van nege meter onder die oppervlak het hy 'n aar bereik waaruit gas uitgevloei het, wat hy later opgevang het, en sy nuutgestigte Fredonia Gas Light Company het 'n pionier in die gasbedryf geword. Ten spyte van Hart se deurbraak, is die beligtingsgas wat in die XNUMXde eeu gebruik is, egter hoofsaaklik uit steenkool onttrek volgens die metode wat hierbo beskryf is – hoofsaaklik weens die gebrek aan potensiaal vir die ontwikkeling van tegnologieë vir die vervoer van aardgas vanaf landerye.
Die eerste kommersiële olieproduksie was toe egter reeds 'n feit. Hul geskiedenis het in 1859 in die VSA begin, en die idee was om die onttrekte olie te gebruik om keroseen vir beligting en olies vir stoomenjins te distilleer. Selfs toe is mense gekonfronteer met die vernietigende krag van aardgas, wat vir duisende jare in die ingewande van die aarde saamgepers is. Die pioniers van Edwin Drake se groep het amper gesterf tydens die eerste impromptu boorwerk naby Titusville, Pennsilvanië, toe gas uit die breuk gelek het, 'n reusebrand uitgebreek het, wat al die toerusting weggedra het. Vandag gaan die ontginning van olie- en gasvelde gepaard met 'n stelsel van spesiale maatreëls om die vrye vloei van brandbare gas te blokkeer, maar brande en ontploffings is nie ongewoon nie. Dieselfde gas word egter in baie gevalle as 'n soort "pomp" gebruik wat olie na die oppervlak stoot, en wanneer die druk daarvan daal, begin oliemanne ander metodes soek en gebruik om "swart goud" te ontgin.
Die wêreld van koolwaterstofgasse
In 1885, vier jaar ná William Hart se eerste gasboor, het nog ’n Amerikaner, Robert Bunsen, ’n toestel uitgevind wat later bekend geword het as die “Bunsen-brander”. Die uitvinding dien om gas en lug in 'n geskikte verhouding te doseer en te meng, wat dan vir veilige verbranding gebruik kan word - dit is hierdie brander wat vandag die basis is van moderne suurstofspuitpunte vir stowe en verwarmingstoestelle. Bunsen se uitvinding het nuwe moontlikhede vir die gebruik van aardgas oopgemaak, maar alhoewel die eerste gaspypleiding reeds in 1891 gebou is, het bloubrandstof eers kommersiële belang gekry tot die Tweede Wêreldoorlog.
Dit was tydens die oorlog dat voldoende betroubare metodes van sny en sweis geskep is, wat dit moontlik gemaak het om veilige metaalgaspypleidings te bou. Duisende kilometers daarvan is ná die oorlog in Amerika gebou, en die pypleiding van Libië na Italië is in die 60's gebou. Groot neerslae van aardgas is ook in Nederland ontdek. Hierdie twee feite verduidelik die beter infrastruktuur vir die gebruik van saamgeperste aardgas (CNG) en vloeibare petroleumgas (LPG) as 'n voertuigbrandstof in hierdie twee lande. Die enorme strategiese belang wat aardgas begin verkry word deur die volgende feit bevestig - toe Reagan in die 80's besluit het om die "Evil Empire" te vernietig, het hy die verskaffing van hoëtegnologie-toerusting vir die bou van 'n gaspypleiding uit die USSR na Europa. Om vir Europese behoeftes te vergoed, versnel die konstruksie van 'n gaspypleiding vanaf die Noorse sektor van die Noordsee na die vasteland van Europa, en die USSR hang. Gasuitvoer was destyds die hoofbron van harde geldeenheid vir die Sowjetunie, en die ernstige tekorte wat uit die Reagan-maatreëls voortgespruit het, het gou gelei tot die bekende historiese gebeure van die vroeë 90's.
Vandag is demokratiese Rusland 'n groot verskaffer van aardgas aan Duitsland se energiebehoeftes en 'n groot globale speler op hierdie gebied. Die belangrikheid van aardgas het begin toeneem ná die twee oliekrisisse van die 70's, en vandag is dit een van die belangrikste energiebronne van geostrategiese belang. Tans is aardgas die goedkoopste brandstof vir verhitting, word gebruik as 'n grondstof in die chemiese industrie, vir elektrisiteitsopwekking, vir huishoudelike toestelle, en sy "neef" propaan kan selfs in deodorantbottels as 'n deodorant gevind word. plaasvervanger vir osoonafbrekende fluoorverbindings. Die verbruik van aardgas groei voortdurend, en die gaspypleidingnetwerk word langer. Wat die infrastruktuur wat tot dusver gebou is vir die gebruik van hierdie brandstof in motors betref, is alles ver agter.
Ons het u reeds vertel van die vreemde besluite wat die Japannese geneem het in die vervaardiging van broodnodige en skaars brandstof tydens die Tweede Wêreldoorlog, en ook die program vir die vervaardiging van sintetiese petrol in Duitsland genoem. Min is egter bekend oor die feit dat daar in die skraal oorlogsjare in Duitsland nogal regte motors op ... hout gery het! In hierdie geval is dit nie 'n terugkeer na die goeie ou stoomenjin nie, maar binnebrandenjins, wat oorspronklik ontwerp is om op petrol te werk. Trouens, die idee is nie baie ingewikkeld nie, maar vereis die gebruik van 'n lywige, swaar en gevaarlike gasopwekkerstelsel. Steenkool, houtskool of net hout word in 'n spesiale en nie baie komplekse kragsentrale geplaas nie. Aan die onderkant brand hulle in die afwesigheid van suurstof, en in toestande van hoë temperatuur en humiditeit word 'n gas vrygestel wat koolstofmonoksied, waterstof en metaan bevat. Dit word dan afgekoel, skoongemaak en deur 'n waaier in die enjin se inlaatspruitstukke gevoer vir gebruik as brandstof. Natuurlik het die bestuurders van hierdie masjiene die komplekse en moeilike funksies van brandbestryders verrig – die ketel moes periodiek gelaai en skoongemaak word, en die rookmasjiene het regtig 'n bietjie soos stoomlokomotiewe gelyk.
Vandag vereis gaseksplorasie van die wêreld se mees gesofistikeerde tegnologie, en die ontginning van aardgas en olie is een van die grootste uitdagings wat wetenskap en tegnologie in die gesig staar. Hierdie feit is veral waar in die VSA, waar al hoe meer onkonvensionele metodes gebruik word om gas wat in ou of verlate landerye agtergebly het te "suig", asook om sogenaamde "stywe" gas te onttrek. Volgens wetenskaplikes sal dit nou twee keer soveel boorwerk verg om gas op die vlak van tegnologie in 1985 te produseer. Die doeltreffendheid van die metodes word aansienlik verhoog, en die gewig van die toerusting is met 75% verminder. Toenemend gesofistikeerde rekenaarprogramme word gebruik om data van gravimeters, seismiese tegnologieë en lasersatelliete te ontleed, waaruit driedimensionele gerekenariseerde kaarte van reservoirs geskep word. Sogenaamde 4D-beelde is ook geskep, waardeur dit moontlik is om die vorms en bewegings van afsettings oor tyd te visualiseer. Gevorderde fasiliteite bly egter oor vir die produksie van aardgas in die buiteland - slegs 'n fraksie van menslike vordering in hierdie gebied - globale posisioneringstelsels vir boor, ultra-diep boor, seebodempypleidings en vloeibare opruimingstelsels. koolstofmonoksied en sand.
Om olie te raffineer om petrol van hoë gehalte te produseer, is 'n baie meer komplekse taak as om gasse te raffineer. Aan die ander kant is die vervoer van gas per see baie duurder en ingewikkelder. VPG-tenkwaens is redelik kompleks in ontwerp, maar LNG-vragmotors is 'n wonderlike skepping. Butaan vloeibaar by -2 grade, terwyl propaan vloeibaar word by -42 grade of relatief lae druk. Dit neem egter -165 grade om metaan vloeibaar te maak! Gevolglik vereis die konstruksie van VPG-tenkwaens eenvoudiger kompressorstasies as vir aardgas en tenks wat ontwerp is om nie besonder hoë drukke van 20-25 bar te weerstaan nie. Daarteenoor is tenkwaens vir vloeibare aardgas toegerus met deurlopende verkoelingstelsels en supergeïsoleerde tenks – in werklikheid is hierdie kolosse die wêreld se grootste kryogeniese yskaste. ’n Deel van die gas slaag egter daarin om hierdie installasies te “verlaat”, maar ’n ander stelsel vang dit dadelik op en voer dit in die skip se enjinsilinders in.
Om bogenoemde redes is dit redelik verstaanbaar dat die tegnologie reeds in 1927 die eerste propaan-butaan-tenks toegelaat het om te oorleef. Dit is die werk van die Nederlands-Engelse Shell, wat op daardie stadium reeds 'n reusemaatskappy was. Haar baas Kessler is ’n gevorderde man en ’n eksperimenteerder wat lankal daarvan gedroom het om op een of ander manier die groot hoeveelheid gas wat tot dusver in die atmosfeer uitgelek of in olieraffinaderye afgebrand het, te gebruik. Op sy idee en inisiatief is die eerste buitelandse vaartuig met 'n drakrag van 4700 XNUMX ton geskep om koolwaterstofgasse met 'n eksotiese voorkoms en indrukwekkende afmetings bo dektenks te vervoer.
Nog twee-en-dertig jaar is egter nodig om die eerste Methane Pioneer-metaandraer te bou, gebou in opdrag van die gasmaatskappy Constock International Methane Limited. Shell, wat reeds 'n stabiele infrastruktuur vir die vervaardiging en verspreiding van VPG het, het hierdie maatskappy gekoop, en baie gou is nog twee groot tenkwaens gebou - Shell het begin om die vloeibare aardgas-onderneming te ontwikkel. Wanneer die inwoners van die Engelse eiland Conway, waar die maatskappy besig is om metaanbergingsfasiliteite te bou, besef wat eintlik gestoor en na hul eiland vervoer word, is hulle geskok en bang, en dink (en tereg) dat die skepe net reuse-bomme is. Toe was die probleem van veiligheid werklik relevant, maar vandag is tenkwaens vir die vervoer van vloeibare metaan uiters veilig en is dit nie net een van die veiligste nie, maar ook een van die mees omgewingsvriendelike seevaartuie – onvergelykbaar veiliger vir die omgewing as olietenkwaens. Die grootste klant van die tenkwavloot is Japan, wat feitlik geen plaaslike energiebronne het nie, en die bou van gaspypleidings na die eiland is 'n baie moeilike onderneming. Japan het ook die grootste "park" van gasvoertuie. Die belangrikste verskaffers van vloeibare aardgas (LNG) is vandag die Verenigde State, Oman en Katar, Kanada.
Onlangs het die besigheid van die vervaardiging van vloeibare koolwaterstowwe uit aardgas al hoe meer gewild geword. Dit is hoofsaaklik ultraskoon dieselbrandstof wat uit metaan gesintetiseer word, en hierdie bedryf sal na verwagting in die toekoms teen 'n versnelde tempo ontwikkel. Bush se energiebeleid vereis byvoorbeeld die gebruik van plaaslike energiebronne, en Alaska het groot afsettings van aardgas. Hierdie prosesse word gestimuleer deur relatief hoë oliepryse, wat voorvereistes skep vir die ontwikkeling van duur tegnologieë – GTL (Gas-to-Liquids) is maar een daarvan.
Basies is GTL nie 'n nuwe tegnologie nie. Dit is in die 20's geskep deur die Duitse chemici Franz Fischer en Hans Tropsch, wat in vorige uitgawes genoem is as deel van hul sintetiese program. In teenstelling met die vernietigende hidrogenering van steenkool vind die prosesse om ligmolekules in langer bindings te verbind egter hier plaas. Suid-Afrika produseer al sedert die 50's sulke brandstof op industriële skaal. Belangstelling in hulle het egter die afgelope paar jaar gegroei op soek na nuwe geleenthede om skadelike brandstofvrystellings in die Verenigde State te verminder. Groot oliemaatskappye soos BP, ChevronTexaco, Conoco, ExxonMobil, Rentech, Sasol en Royal Dutch/Shell bestee groot bedrae aan die ontwikkeling van GTL-verwante tegnologieë, en as gevolg van hierdie ontwikkelings word politieke en sosiale aspekte toenemend bespreek in die gesig van aansporings. belasting op skoon brandstofverbruikers. Hierdie brandstof sal baie verbruikers van dieselbrandstof in staat stel om dit te vervang met meer omgewingsvriendelike en sal die koste vir motormaatskappye verminder om nuwe vlakke van skadelike uitlaatgasse wat deur die wet bepaal word, te bereik. Onlangse diepgaande toetse toon dat GTL-brandstowwe koolstofmonoksied met 90% verminder, koolwaterstowwe met 63% en roet met 23% sonder die behoefte aan dieselpartikelfilters. Boonop laat die lae-swael-aard van hierdie brandstof die gebruik van bykomende katalisators toe wat voertuiguitlaatgasse verder kan verminder.
'N Belangrike voordeel van GTL-brandstof is dat dit direk in dieselenjins gebruik kan word sonder om die eenhede aan te pas. Hulle kan ook gemeng word met brandstowwe wat 30 tot 60 dpm swael bevat. Anders as aardgas en vloeibare petroleumgasse, is dit nie nodig om die bestaande vervoerinfrastruktuur te verander om vloeibare brandstowwe te vervoer nie. Volgens Denis Yakubson, president van Rentech, kan hierdie soort brandstof die eko-vriendelike ekonomiese potensiaal van dieselenjins ideaal aanvul, en Shell bou tans 'n groot aanleg van $ 22,3 miljard in Katar met 'n ontwerpvermoë van XNUMX miljoen liter sintetiese brandstof per dag. ... Die grootste probleem met hierdie brandstowwe is die groot investering wat in nuwe fasiliteite benodig word en die tipies duur produksieproses.
Biogas
Die bron van metaan is egter nie net ondergrondse neerslae nie. In 1808 het Humphry Davy geëksperimenteer met strooi wat in 'n vakuum retort geplaas is en 'n biogas vervaardig wat hoofsaaklik metaan, koolstofdioksied, waterstof en stikstof bevat. Daniel Defoe praat ook oor biogas in sy roman oor die “verlore eiland”. Die geskiedenis van hierdie idee is egter selfs ouer – in die 1776ste eeu het Jan Baptita Van Helmont geglo dat brandbare gasse verkry kan word uit die ontbinding van organiese stowwe, en graaf Alexander Volta (die skepper van die battery) het ook tot soortgelyke gevolgtrekkings gekom. in 1859. Die eerste biogasaanleg het in Bombaai begin werk en is gestig in dieselfde jaar wat Edwin Drake die eerste suksesvolle olieboorwerk vervaardig het. ’n Indiese aanleg verwerk ontlasting en verskaf gas vir straatlampe.
Dit sal lank duur voordat die chemiese prosesse in die produksie van biogas deeglik verstaan en bestudeer word. Dit het eers in die dertigerjare van die twintigste eeu moontlik geword en is die gevolg van 'n sprong in die ontwikkeling van mikrobiologie. Dit blyk dat hierdie proses veroorsaak word deur anaërobiese bakterieë, wat een van die oudste lewensvorme op aarde is. Hulle "maal" organiese materiaal in 'n anaërobiese omgewing (aërobiese ontbinding verg baie suurstof en genereer hitte). Sulke prosesse kom ook natuurlik voor in moerasse, moerasse, padievelde, bedekte strandmere, ens.
Moderne biogasproduksiestelsels word meer gewild in sommige lande, en Swede is 'n leier in beide biogasproduksie en voertuie wat aangepas is om daarop te loop. Sintese-eenhede gebruik spesiaal ontwerpte biogenerators, relatief goedkoop en eenvoudige toestelle wat 'n geskikte omgewing vir bakterieë skep, wat, afhangend van hul tipe, die doeltreffendste "werk" teen temperature wat wissel van 40 tot 60 grade. Die eindprodukte van biogasaanlegte bevat, benewens gas, ook verbindings wat ryk is aan ammoniak, fosfor en ander elemente wat geskik is vir gebruik in die landbou as grondbemesting.
