الغاز الطبيعي المضغوط (المضغوط) (CNG). أنواع وقود محركات الغاز ومزاياها وعيوبها

التركيب الكيميائي للغاز. طلب

الجزء الرئيسي من الغاز الطبيعي هو الميثان (CH4) بنسبة تصل إلى 98%. قد يحتوي الغاز الطبيعي أيضًا على هيدروكربونات أثقل - متجانسات الميثان:

الإيثان (C2H6)،

البروبان (C3H8)،

البيوتان (C4H10)،

وكذلك المواد الأخرى غير الهيدروكربونية:

الهيدروجين (H2)،

كبريتيد الهيدروجين (H 2 S)،

ثاني أكسيد الكربون (CO 2)،

الهيليوم (هو).

الغاز الطبيعي النقي عديم اللون والرائحة. لجعل من الممكن اكتشاف التسرب عن طريق الرائحة، تتم إضافة كمية صغيرة من المواد التي لها رائحة كريهة قوية (ما يسمى الروائح) إلى الغاز. غالبًا ما يستخدم إيثيل مركابتان كمعطر.

تعتبر الأجزاء الهيدروكربونية مواد خام قيمة للصناعات الكيماوية والبتروكيماوية. يتم استخدامها على نطاق واسع لإنتاج الأسيتيلين. ينتج عن الانحلال الحراري للإيثان الإيثيلين، وهو منتج مهم للتخليق العضوي. عندما يتأكسد جزء البروبان والبيوتان، يتم تشكيل الأسيتالديهيد، والفورمالديهايد، وحمض الأسيتيك، والأسيتون وغيرها من المنتجات. ويستخدم الأيزوبيوتان في إنتاج مكونات عالية الأوكتان لوقود المحركات، وكذلك الأيزوبيوتيلين، وهو مادة خام لإنتاج المطاط الصناعي. يؤدي نزع هيدروجين الأيزوبنتان إلى إنتاج الأيزوبرين، وهو منتج مهم في إنتاج المطاط الصناعي.

الغاز الطبيعي المضغوط– الغاز الطبيعي المضغوط يستخدم كوقود للمحركات بدلاً من البنزين ووقود الديزل والبروبان.

يمكن ضغط الغاز الطبيعي، مثل أي غاز آخر، باستخدام الضاغط. وفي الوقت نفسه، يتم تقليل الحجم الذي تشغله بشكل كبير. يتم ضغط الغاز الطبيعي تقليديًا إلى ضغط يتراوح بين 200-250 بار، مما يؤدي إلى تقليل الحجم بمقدار 200-250 مرة. يتم ضغط الغاز لنقله عبر خطوط أنابيب الغاز للحفاظ على الضغط الصحيح داخل التكوين (ضغط الخزان) أثناء الحقن تحت الأرض، ويعد إنتاج الغاز الطبيعي المضغوط خطوة وسيطة في إنتاج الغاز الطبيعي المسال. يعتبر الغاز الطبيعي المضغوط أرخص من الوقود التقليدي، كما أن تأثير الاحتباس الحراري الناتج عن منتجات احتراقه أقل مقارنة بالوقود التقليدي، لذا فهو أكثر أمانًا للناس. بيئة. يتم تخزين ونقل الغاز الطبيعي المضغوط في صهاريج خاصة لتخزين الغاز. ويضاف الغاز الحيوي أيضًا إلى الغاز الطبيعي المضغوط، مما يقلل من انبعاثات الكربون في الغلاف الجوي.

يتمتع الغاز الطبيعي المضغوط كوقود بعدد من المزايا:

· غاز الميثان (المكون الرئيسي للغاز الطبيعي) أخف من الهواء وفي حالة حدوث تسرب طارئ فإنه يتبخر بسرعة، على عكس البروبان الأثقل الذي يتراكم في المنخفضات الطبيعية والاصطناعية ويخلق خطر الانفجار.

· غير سامة بتركيزات صغيرة.

· لا يسبب تآكل المعادن.

· يعتبر الغاز الطبيعي المضغوط أرخص من أي وقود بترولي، بما في ذلك الديزل، ولكنه يفوقه في محتواه من السعرات الحرارية.

· درجة الغليان المنخفضة تضمن التبخر الكامل للغاز الطبيعي عند أدنى درجات الحرارة المحيطة.

· يحترق الغاز الطبيعي بشكل شبه كامل ولا يترك سخاماً، مما يؤدي إلى تفاقم البيئة وتقليل الكفاءة. لا تحتوي غازات مداخن العادم على شوائب كبريتية ولا تدمر معدن المدخنة.

· تكاليف تشغيل غلايات الغاز أقل أيضًا من الغلايات التقليدية.

ميزة أخرى للغاز الطبيعي المضغوط هي أن الغلايات التي تعمل بالغاز الطبيعي تتمتع بكفاءة أكبر - تصل إلى 94٪، ولا تتطلب استهلاك الوقود للتسخين المسبق في الشتاء (مثل زيت الوقود وغلايات البروبان والبيوتان).

ويتحول الغاز الطبيعي، الذي يتم تبريده بعد تنقيته من الشوائب إلى درجة حرارة التكثيف (-161.5 درجة مئوية)، إلى سائل يسمى الغاز الطبيعي المسال. الغاز المسال هو سائل عديم اللون والرائحة، وكثافته نصف كثافة الماء. 75-99% يتكون من الميثان. نقطة الغليان -158...-163 0 مئوية. في الحالة السائلة فهو غير قابل للاشتعال وغير سام وغير عدواني. للاستخدام، يتم تبخيره إلى حالته الأصلية. عندما تحترق الأبخرة، يتكون ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء. يتم تقليل حجم الغاز أثناء التسييل بمقدار 600 مرة، وهي إحدى المزايا الرئيسية لهذه التكنولوجيا. وتتم عملية الإسالة على مراحل، يتم في كل مرحلة ضغط الغاز من 5 إلى 12 مرة، ثم تبريده ونقله إلى المرحلة التالية. يحدث التسييل نفسه أثناء التبريد بعد المرحلة الأخيرة من الضغط. وبالتالي، تتطلب عملية التسييل استهلاكًا كبيرًا للطاقة - يصل إلى 25% من الكمية الموجودة في الغاز المسال. يتم إنتاج الغاز المسال في ما يسمى بمحطات التسييل، وبعد ذلك يمكن نقله في حاويات مبردة خاصة - ناقلات بحرية أو صهاريج للنقل البري. وهذا يجعل من الممكن توصيل الغاز إلى المناطق البعيدة عن خطوط أنابيب الغاز الرئيسية المستخدمة تقليديًا لنقل الغاز الطبيعي التقليدي. يتم تخزين الغاز الطبيعي المسال لفترة طويلة، مما يجعل من الممكن تكوين الاحتياطيات. قبل تسليمه مباشرة إلى المستهلك، يتم إرجاع الغاز المسال إلى حالته الغازية الأصلية في محطات إعادة التغويز. تعود المحاولات الأولى لتسييل الغاز الطبيعي للأغراض الصناعية إلى بداية القرن العشرين. في عام 1917، تم إنتاج أول غاز مسال في الولايات المتحدة، لكن تطوير أنظمة التوصيل عبر خطوط الأنابيب أخر تحسين هذه التكنولوجيا لفترة طويلة. وفي عام 1941، جرت المحاولة التالية لإنتاج الغاز الطبيعي المسال، لكن الإنتاج لم يصل إلى المستوى الصناعي إلا في منتصف الستينيات. وفي روسيا، بدأ بناء أول مصنع للغاز الطبيعي المسال في عام 2006 كجزء من مشروع سخالين -2. تم الافتتاح الكبير للمصنع في شتاء عام 2009.

الغاز الصخري– الغاز الطبيعي المنتج من الصخر الزيتي، والذي يتكون بشكل أساسي من غاز الميثان. تم حفر أول بئر غاز تجاري في تكوينات الصخر الزيتي في الولايات المتحدة في عام 1821. وبدأت شركة ديفون إنيرجي في الولايات المتحدة الإنتاج الصناعي على نطاق واسع للغاز الصخري في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين في حقل بارنيت شيل، الذي حفر أول بئر أفقي في هذا المجال عام 2002 بفضل الزيادة الحادة في إنتاجها، والتي تسمى "ثورة الغاز"، في عام 2009، أصبحت الولايات المتحدة الرائدة عالميًا في إنتاج الغاز (745.3 مليار متر مكعب)، ويأتي أكثر من 40% من مصادر غير تقليدية (ميثان الفحم الحجري والغاز الصخري). ).

وتبلغ موارد الغاز الصخري في العالم 200 تريليون متر مكعب. في يناير 2011، قال الخبير الاقتصادي أ.د. وكتب خيتوين عن احتمال أن يكرر الغاز الصخري “مصير غاز الميثان الناتج عن الفحم الحجري، مع انخفاض كبير في نمو الإنتاج خلال الاستغلال طويل الأمد للحقول، أو مصير الوقود الحيوي، الذي تأتي الغالبية العظمى من إنتاجه العالمي من أمريكا، وهي الآن في تراجع."

احتياطيات الغاز وموارده

ويبلغ الاحتياطي الجيولوجي العالمي من الغازات القابلة للاشتعال في القارات وفي مناطق الجرف والبحار الضحلة حسب التقديرات المتوقعة 10 ـ 15 م3 أي ما يعادل 10 ـ 12 طناً من النفط.

أكبر الحقول في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية هي: Urengoyskoye (4 تريليون م 3) وزابوليارنوي (1.5 تريليون م 3) وفوكتيلسكوي (452 ​​مليار م 3) وأورينبورغسكوي (650 مليار م 3) وستافروبولسكوي (220 مليار م 3) وجازلي (445 مليار م 3). 3) في آسيا الوسطى؛ شبسلينسكوي (390 مليار م3) في أوكرانيا.

وفي شبه جزيرة يامال وفي المناطق المائية المجاورة تم اكتشاف 11 حقلاً للغاز و15 حقلاً للنفط ومكثفات الغاز، ويبلغ احتياطي الغاز المستكشف والمقدر الأولي (ABC 1 + C 2) حوالي 16 تريليون م 3، وهي فرص واعدة وواعدة. توقعات (ج3 - د3) تبلغ موارد الغاز حوالي 22 تريليون م3. أهم حقل يامال من حيث احتياطيات الغاز هو حقل بوفانينكوفسكي - 4.9 تريليون م 3 (ABC 1 + C 2)، والذي سيبدأ تطويره في عام 2012، وسوف يتدفق الغاز إلى خط أنابيب الغاز الجديد بوفانينكوفو-أوختا. تبلغ الاحتياطيات الأولية لحقول Kharasaveyskoye و Kruzenshternskoye و Yuzhno-Tambeyskoye حوالي 3.3 تريليون متر مكعب من الغاز.

يشكل شرق سيبيريا والشرق الأقصى حوالي 60٪ من أراضي الاتحاد الروسي. يبلغ إجمالي موارد الغاز الأولية على الأرض في شرق روسيا 52.4 تريليون متر مكعب، وفي الخارج - 14.9 تريليون متر مكعب.

وفي الاتحاد الروسي، بلغ إنتاج الغاز من قبل شركة JSC Gazprom وحدها في عام 2011 513.2 مليار متر مكعب. وفي الوقت نفسه، وصلت الزيادة في احتياطيات الفئة C 1 إلى مستوى قياسي - 686.4 مليار م 3، مكثفات - 38.6 مليون طن، وفي عام 2012، من المخطط إنتاج 528.6 مليار م 3 من الغاز و 12.8 مليون طن من مكثفات الغاز.

المكثفات

المكثفات– المنتج السائل لفصل الغازات الطبيعية . يتم تمثيله بشكل أساسي بواسطة الهيدروكربونات السائلة في الظروف العادية - البنتان والهيدروكربونات الأثقل من تركيبة الألكان والسيكلان والأرين. ولا تتجاوز الكثافة عادة 0.785 جم/سم 3، على الرغم من أن الاختلافات في الكثافات تصل إلى 0.82 جم/سم 3 معروفة. نقطة الغليان النهائية هي من 200 إلى 350 درجة مئوية.

يميز خامالمكثفات التي تم الحصول عليها أثناء الانفصال، و مستقرتم الحصول عليها عن طريق التفريغ العميق للمكثفات الخام. يتم التعبير عن كمية المتكثفات في غازات المكامن إما بنسبة حجمها إلى حجم الغاز المنفصل (سم3/م3) ويسمى عامل المكثفات. تصل كمية المكثفات لكل 1 م3 من الغاز المنفصل (الحر) إلى 700 سم3. وبحسب قيمة عامل التكثف تكون الغازات "جافة" (أقل من 10 سم3/م3) و"هزيلة" (10-30 سم3/م3) و"سمينة" (30-90 سم3/م3) 3). وتسمى الغازات التي تتميز بقيمة عامل غازي تزيد عن 90 سم3/م3 بمكثفات الغاز. في حقل مكثفات النفط والغاز فوكتيل، يبلغ عامل المكثفات 488-538 سم 3 / م 3؛ وعادة ما تكون الغازات الطبيعية من الحقول في غرب سيبيريا "جافة".

يتم الحصول على الغاز المضغوط بطرق مختلفة: مباشرة من آبار الغاز، كمنتج لتكرير النفط، وعن طريق تجزئة مكثفات الغاز أو غاز البترول المصاحب. لا يمكن للغاز الطبيعي المضغوط أن يحل محل وقود المحركات السائل بنجاح فحسب، بل يتفوق عليه أيضًا في عدد من المعلمات. ميزته الرئيسية هي أنه يمكن استخدام الغاز الطبيعي المضغوط في النقل البري دون معالجة تكنولوجية باهظة الثمن.

إن تركيبة الغازات الطبيعية المنتجة في الحقول المحلية متشابهة إلى حد كبير. في الأساس (82-98٪) هو ميثان CH4 مع شوائب صغيرة (تصل إلى 6٪) إيثان C2H6، ما يصل إلى 1.5٪ بروبان C3H8 وما يصل إلى 1٪ بيوتان C4H10. في الغازات المصاحبة المنتجة من حقول النفط، اعتمادًا على منطقة الإنتاج، يمكن أن يتراوح محتوى الميثان من 40 إلى 82٪، والبيوتان والبروبان - من 4 إلى 20٪.

ويتميز المكون الرئيسي، وهو الميثان CH 4، بأعلى درجة حرارة حرجة (-82 درجة مئوية). لذلك، في درجات الحرارة العادية، حتى عند الضغط العالي، لا يمكن تسييل الميثان: وهذا يتطلب درجة حرارة منخفضة.

يتم تحديد خصائص الميثان من خلال تركيبه الجزيئي. ينتمي الغاز إلى الهيدروكربونات البسيطة. يحتوي جزيئه على الحد الأقصى من الهيدروجين لكل ذرة كربون. ويرجع ذلك إلى الموصلية الحرارية العالية للميثان، ومجموعة واسعة من القابلية للاشتعال وانخفاض محتوى المكونات السامة. ونظرًا لمحتوى الهيدروجين العالي في الغاز المضغوط، فإنه يحترق بشكل كامل في أسطوانات المحرك مقارنة بغاز HPG والبنزين. وبالمقارنة مع الغازات الهيدروكربونية الأخرى، فإن غاز الميثان أخف بكثير من الهواء، لذلك في حالة حدوث تسرب يتراكم في الجزء العلوي من الغرفة. تسمح مقاومة الميثان العالية للضرب بتعزيز المحرك من حيث نسبة الضغط (9.5-10.5).

ومن حيث معايير الطاقة، فإن 1 متر مكعب من الغاز الطبيعي يعادل 1 لتر من البنزين. وفي الوقت نفسه، يحتوي الغاز الطبيعي على تركيز طاقة حجمي منخفض جدًا. إذا كانت القيمة الحرارية لتر واحد من الوقود السائل هي 31426 كيلوجول، فهي بالنسبة للغاز الطبيعي 33.52-35.62 كيلوجول، أي. ما يقرب من 1000 مرة أقل. ولذلك، يجب ضغط الغاز الطبيعي إلى ضغط مرتفع.

في محطات ضغط تعبئة غاز السيارات في روسيا، يبلغ ضغط التشغيل 20 ميجا باسكال.

بالنسبة للغاز المضغوط، يتم استخدام وحدات أسطوانات الغاز (الأسطوانات، والتجهيزات، ومخفضات السرعة، وخطوط أنابيب الغاز، وما إلى ذلك)، المصممة للعمل عند ضغط مرتفع - 19.6 ميجا باسكال (200 كجم ثقلي/سم2). مع استهلاك الغاز من الاسطوانة، ينخفض ​​ضغط التشغيل فيها بشكل مستمر.

تبلغ سعة أسطوانات الغاز الطبيعي المضغوط 34-400 لترًا وهي مصممة لضغط يصل إلى 19.6 ميجا باسكال.

نظرًا لأن أسطوانات تخزين الغاز المضغوط مصنوعة من جدران سميكة، فإن بطارية مكونة من ثمانية أسطوانات تعتبر ثقيلة جدًا. ونتيجة لذلك، يتم أيضًا تقليل سعة الحمولة للمركبات. في الوقت نفسه، يصبح عدد الكيلومترات من المركبات التي تعمل بالغاز الطبيعي المضغوط أقل مرتين من البنزين. ولذلك، تعتبر التكنولوجيا المبردة لتخزين الغاز الطبيعي المضغوط في السيارة واعدة أكثر. بالإضافة إلى ذلك، يعتبر هذا الاتجاه علامة فارقة على طريق إنشاء محركات الهيدروجين.

يتم تنظيم الغاز الطبيعي المضغوط (المضغوط) (CNG)، الذي كان يسمى سابقًا الغاز الطبيعي المضغوط (CNG)، بموجب GOST 27577-2000 "غاز الوقود المضغوط لمحركات الاحتراق الداخلي" يحدد المؤشرات الفيزيائية والكيميائية والتشغيلية للغاز الطبيعي المضغوط (الجدول 5.7).

الجدول 5.7 المؤشرات الفيزيائية والكيميائية والمؤشرات التشغيلية للغاز الطبيعي المضغوط

ملحوظة. تم تحديد قيم المؤشر عند درجة حرارة 293 كلفن (20 درجة مئوية) وضغط 0.1013 ميجا باسكال .

وفقًا لـ GOST للغاز الطبيعي المضغوط، يجب ألا تزيد درجة حرارة الغاز المعبأ في أسطوانات السيارة عن 40 درجة مئوية. عند درجات الحرارة المحيطة التي تزيد عن 35 درجة مئوية، يجب ألا تكون درجة حرارة الغاز الذي يتم شحنه أعلى من درجة حرارة الهواء بأكثر من 5 درجات مئوية. يتم تحديد درجة حرارة الغاز الطبيعي المضغوط أثناء التزود بالوقود بناءً على طلب المستهلكين.

يشتعل الغاز الطبيعي المضغوط عند درجة حرارة تتراوح بين 635-645 درجة مئوية في غرفة احتراق المحرك، وهي أعلى بثلاث مرات من درجة حرارة اشتعال البنزين.

وهذا يجعل من الصعب تشغيل المحرك، خاصة في درجات الحرارة المحيطة المنخفضة (أقل من -5 درجة مئوية). لذلك، تحتوي السيارات على نظام طاقة احتياطي يعمل بالبنزين. وفي الوقت نفسه، من حيث مخاطر الاشتعال والحريق، فإن الغاز الطبيعي المضغوط أكثر أمانًا من البنزين.

تشمل العوامل الإيجابية لاستخدام الغاز الطبيعي المضغوط ما يلي:

يزيد عمر خدمة زيت المحرك بمقدار 1.5-2.0 مرة بسبب عدم تخفيفه وتقليل التلوث. ونتيجة لذلك ينخفض ​​استهلاك الزيت بنسبة 30-40% مقارنة بمحركات البنزين؛

يزداد عمر المحرك بمعدل 35-40% بسبب عدم وجود رواسب الكربون في أجزاء مجموعة الأسطوانات والمكبس.

يزيد عمر خدمة شمعات الإشعال بنسبة 40%؛

يزيد عدد الأميال المقطوعة عند إصلاح المحرك بمقدار 1.5 مرة.

يتم تقليل انبعاث المواد الضارة، وخاصة ثاني أكسيد الكربون، من غازات العادم بشكل كبير (يصل إلى 90%).

يمكن لمحركات المركبات التي تعمل بأسطوانات الغاز والتي تعمل بالغاز الطبيعي المضغوط، في حالة استنفاد الغاز، أن تتحول بسرعة إلى العمل بالبنزين.

إلى جانب المزايا، يمكن ملاحظة العيوب التالية:

تزداد كثافة اليد العاملة في أعمال الصيانة والإصلاح بنسبة 7-8%، ويرتفع سعر السيارة بمعدل 27% بسبب وجود معدات غاز إضافية؛

يتم تقليل قوة المحرك بنسبة 18-20٪. تتدهور خصائص الجر والديناميكية والتشغيلية للسيارات: يزداد وقت التسارع بنسبة 24-30٪؛ السرعة القصوى تنخفض بنسبة 5-6%؛ يتم تقليل الحد الأقصى لزوايا التسلق التي تم التغلب عليها بنسبة 30-40٪؛ يصبح من الصعب تشغيل مركبة بمقطورة؛ يتم تقليل نطاق القيادة عند تعبئة غاز واحد (لا يتجاوز 200-250 كم)؛

يتم تقليل القدرة الاستيعابية للمركبة بنسبة 9-14% بسبب استخدام أسطوانات فولاذية عالية الضغط (قد يختلف عددها ووزنها)؛

ينخفض ​​معدل الاستفادة من الأميال في المركبات التي تعمل باسطوانات الغاز بنسبة 8-13% مقارنة بمركبات البنزين؛

تنخفض الإنتاجية السنوية عند العمل في النقل الحضري بنسبة 14-16٪ مقارنة بالبنزين.

إن ميزات الغاز الطبيعي المضغوط كوقود للسيارات تجعل من الممكن تحديد المجال العقلاني لتطبيق سيارات اسطوانات الغاز: النقل في المدن الكبيرة والمناطق المجاورة (أولوية لتحسين جودة الهواء).

إن فعالية النقل داخل المدن على مركبات اسطوانات الغاز عند خدمة التجارة والمنزل والاتصالات والمؤسسات الأخرى واضحة.

وصف عام للضواغط المكبسية. مرحلة واحدة ومرحلتين. مساحة ضارة

وفقًا لطبيعة العمل، يمكن أن تكون الضواغط المكبسية أحادية الفعل (أو أحادية الفعل) أو مزدوجة الفعل. في الوحدات أحادية الفعل، يتم إجراء عملية شفط أو تفريغ واحدة لكل شوط مكبس. في الضواغط مزدوجة الفعل، يتم إجراء عمليتي شفط أو تفريغ في شوط مكبس واحد.

بناءً على عدد مراحل الضغط، تنقسم الضواغط المكبسية إلى ثلاثة أنواع: مرحلة واحدة، ومرحلتين، ومتعددة المراحل. تسمى مرحلة الضغط عادةً بجزء الضاغط الذي يتم فيه ضغط الغاز إلى ضغط متوسط ​​أو نهائي.

من الناحية الهيكلية، يمكن أن تكون الضواغط أحادية المرحلة عمودية أو أفقية. كقاعدة عامة، الضواغط ذات التصميم الأفقي هي آلات مزدوجة الفعل، في حين أن الضواغط ذات التصميم الرأسي هي وحدات أحادية الفعل.

في الضاغط أحادي الفعل ذو المرحلة الواحدة ذو التصميم الأفقي، يتحرك المكبس داخل الأسطوانة. الاسطوانة مزودة بغطاء يحتوي على صمامات الشفط والتفريغ. يتم توصيل مكبس الضاغط بقضيب توصيل وكرنك. تقع دولاب الموازنة على عمود الكرنك. عندما يتحرك المكبس من اليسار إلى اليمين، يحدث فراغ في المنطقة الواقعة بين المكبس والأسطوانة. يؤدي اختلاف الضغط بين خط الشفط والأسطوانة إلى فتح الصمام، مما يسمح للغاز بالدخول إلى الأسطوانة. عندما يتحرك المكبس للخلف من اليمين إلى اليسار، ينغلق صمام الشفط ويتم ضغط الغاز الموجود في الأسطوانة إلى مستوى الضغط p2. بعد ذلك، من خلال الصمام، يتم دفع الغاز إلى خط التفريغ. تنتهي الدورة وتتكرر مرة أخرى.

تم تجهيز الضاغط ثنائي الفعل أحادي المرحلة بأربعة صمامات (اثنان شفط واثنان تفريغ). هذه الآلات أكثر تعقيدا، ولكن مستوى إنتاجيتها أعلى مرتين. ولأغراض التبريد، يمكن تجهيز الأسطوانة والأغطية بسترات مائية. ولزيادة الإنتاجية، يمكن تصنيع هذه الآلات بتصميمات متعددة الأسطوانات. تعد الضواغط أحادية المرحلة ذات التصميم الرأسي أكثر كفاءة وأسرع من الضواغط الأفقية. بالإضافة إلى ذلك، فهي تشغل مساحة إنتاج أقل وأكثر متانة.

عادةً ما تكون الضواغط ذات المرحلتين ذات التصميم الأفقي مجهزة بأسطوانة واحدة ومكبس مرحلة أو تفاضلي. يتم ضغط الغاز في الاسطوانة من الجانب الأيسر للمكبس، وبعد ذلك يمر عبر المبرد ويتم إمداده إلى الاسطوانة من الجانب الآخر، حيث يتم ضغطه إلى المستوى p2.

تم تجهيز التصميمات متعددة المراحل بأسطوانات مرتبة على التوالي (نظام ترادفي) أو متوازي (نظام مركب). هناك أيضًا تصميمات ضاغطة متعارضة، حيث تتحرك المكابس في اتجاهين متعاكسين. توجد الأسطوانات في الهياكل من هذا النوع على جانبي العمود.

تجدر الإشارة إلى أن العملية الفعلية لضغط الغاز في الضاغط تختلف عن النظرية. لذلك، بين المكبس، عندما يكون في وضعه المتطرف، وغطاء الاسطوانة هناك حجم حر معين. هذه الفجوة تسمى المساحة الضارة. في هذه الفجوة، عند الانتهاء من الحقن، يتوسع الغاز المضغوط أثناء الشوط العكسي للمكبس. ولهذا السبب، لا يفتح صمام الشفط إلا بعد انخفاض مستوى الضغط إلى مستوى ضغط الشفط. وبالتالي، يتحرك المكبس في وضع الخمول، مما يقلل من أداء الضاغط.

في عمليات الإنتاج التي تنطوي على استخدام الغازات (التشتت، الخلط، النقل الهوائي، التجفيف، الامتصاص، وما إلى ذلك)، تحدث حركة وضغط الغازات بسبب الطاقة التي تنقلها إليها الآلات، والتي تحمل الاسم العام ضغط. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تصل إنتاجية محطات الضغط إلى عشرات الآلاف من الأمتار المكعبة في الساعة، ويتراوح الضغط في حدود 10-8-103 ضغط جوي، وهو ما يحدد مجموعة واسعة من أنواع وتصميمات الآلات المستخدمة في نقل وضغط وتخلخل الغازات. تسمى الآلات المصممة لتوليد ضغوط عالية بالضواغط، والآلات التي تعمل على خلق فراغ تسمى الضواغط. مضخات التفريغ.

يتم تصنيف آلات الضغط بشكل أساسي وفقًا لمعيارين: مبدأ التشغيل ودرجة الضغط. نسبة الضغطهي نسبة ضغط الغاز النهائي عند مخرج الآلة ر 2 لضغط المدخل الأولي ص 1 (أي. ص 2 /ص 1).

وفقًا لمبدأ التشغيل، تنقسم آلات الضغط إلى مكبس، وريشة (طرد مركزي ومحوري)، ودوارة، وطائرة نفاثة.

حسب درجة الضغط فهي تتميز:

– الضواغط المستخدمة لخلق ضغوط عالية، ذات نسبة ضغط ر 2 /ر 1 > 3;

– منافيخ الغاز تستخدم لنقل الغازات ذات المقاومة العالية لشبكة أنابيب الغاز بينما 3> ص 2 /ص 1 >1,15;

– تستخدم المراوح لتحريك كميات كبيرة من الغاز أثناء ص 2 /ص 1 < 1,15;

– مضخات التفريغ التي تمتص الغاز من مساحة ذات ضغط منخفض (تحت الغلاف الجوي) وتضخه إلى مساحة ذات ضغط مرتفع (فوق الغلاف الجوي) أو الضغط الجوي.

يمكن استخدام أي آلات ضغط كمضخات تفريغ؛ يتم إنشاء فراغات أعمق بواسطة المكبس والآلات الدوارة.

على عكس السوائل القطيرات، تعتمد الخصائص الفيزيائية للغازات وظيفيًا على درجة الحرارة والضغط؛ ترتبط عمليات حركة وضغط الغازات بالعمليات الديناميكية الحرارية الداخلية. عند وجود اختلافات طفيفة في الضغط ودرجة الحرارة، تكون التغيرات في الخواص الفيزيائية للغازات أثناء حركتها بسرعات منخفضة وضغوط قريبة من الغلاف الجوي ضئيلة. وهذا يجعل من الممكن استخدام جميع الأحكام والقوانين الأساسية للهيدروليكا لوصفها. ومع ذلك، عند الانحراف عن الظروف العادية، خاصة عند نسب ضغط الغاز العالية، تخضع العديد من المواضع الهيدروليكية للتغييرات.

1. أساسيات الديناميكا الحرارية لعملية ضغط الغاز

إن تأثير درجة الحرارة على التغير في حجم الغاز عند ضغط ثابت، كما هو معروف، يتحدد بقانون جاي-لوساك، أي عندما ص= ثابت حجم الغاز يتناسب طرديا مع درجة حرارته:

أين الخامس 1 و الخامس 2- أحجام الغاز على التوالي عند درجات الحرارة ت 1 و ت 2 معبرا عنها على مقياس كلفن.

يمكن تمثيل العلاقة بين أحجام الغاز عند درجات حرارة مختلفة بالعلاقة

, (4.1)

أين الخامسو الخامس 0 - الكميات النهائية والابتدائية للغاز، م3؛ رو ر 0 - درجة حرارة الغاز النهائية والابتدائية، درجة مئوية؛ β ر- المعامل النسبي للتمدد الحجمي، درجة. -1 .

التغير في ضغط الغاز حسب درجة الحرارة:

, (4.2)

أين رو ر 0 - ضغط الغاز النهائي والأولي، Pa;β ر– معامل درجة الحرارة النسبية للضغط بالدرجات. -1 .

كتلة الغاز ميبقى ثابتا عندما يتغير حجمه. إذا كانت ρ 1 و ρ 2 هي كثافة حالتين من درجات الحرارة للغاز، إذن
و
أو
، أي. كثافة الغاز عند ضغط ثابت تتناسب عكسيا مع درجة حرارته المطلقة.

وفقًا لقانون بويل ماريوت، عند نفس درجة الحرارة يكون ناتج الحجم المحدد للغاز الخامسعلى قيمة ضغطه رهناك كمية ثابتة صالخامس= ثابت. ولذلك، في درجة حرارة ثابتة
، أ
أي أن كثافة الغاز تتناسب طرديا مع الضغط
.

مع الأخذ في الاعتبار معادلة جاي-لوساك، يمكننا الحصول على علاقة تربط بين ثلاثة عوامل للغاز: الضغط والحجم النوعي ودرجة الحرارة المطلقة:

. (4.3)

المعادلة الأخيرة تسمى معادلات كلايبيرون. على العموم:

أو
, (4.4)

أين ر- ثابت الغاز، الذي يمثل الشغل المبذول لكل وحدة كتلة من الغاز المثالي في خط متساوي الضغط ( ص= ثابت) عملية؛ عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 1 درجة، يكون ثابت الغاز رله البعد J/(kgdeg):

, (4.5)

أين ل ر- الشغل النوعي لتغيير الحجم الذي يؤديه 1 كجم من الغاز المثالي عند ضغط ثابت، J/kg.

وهكذا فإن المعادلة (4.4) تصف حالة الغاز المثالي. عند ضغط غاز أعلى من 10 ضغط جوي، يؤدي استخدام هذا التعبير إلى حدوث خطأ في الحسابات ( صالخامس≠ر.ت)، لذلك يوصى باستخدام الصيغ التي تصف بشكل أكثر دقة العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة حرارة الغاز الحقيقي. على سبيل المثال، مع معادلة فان دير فالس:

, (4.6)

أين ر= 8314/م- ثابت الغاز، J/(kg K)؛ م- الكتلة الجزيئية للغاز، كجم/كمول؛ أو الخامس -القيم الثابتة لغاز معين.

كميات أو الخامسيمكن حسابها باستخدام معلمات الغاز الحرجة ( تكر و رسجل تجاري):

;
. (4.7)

عند ضغوط عالية القيمة أ/ت 2 (الضغط الإضافي في معادلة فان دير فالس) صغير مقارنة بالضغط صويمكن إهمالها فتتحول المعادلة (4.6) إلى معادلة حالة غاز دوبري الحقيقي:

, (4.8)

أين هي القيمة الخامسيعتمد فقط على نوع الغاز ولا يعتمد على درجة الحرارة والضغط.

من الناحية العملية، تُستخدم المخططات الديناميكية الحرارية في كثير من الأحيان لتحديد معلمات الغاز في حالاته المختلفة: ت–س(درجة الحرارة-الانتروبيا)، باي(الاعتماد على الضغط على المحتوى الحراري)، ص–الخامس(الاعتماد على الضغط على الحجم).

الشكل 4.1 - تي-سرسم بياني

على الرسم البياني ت–س(الشكل 4.1) الخط أكفيمثل منحنى حدوديًا يقسم المخطط إلى مناطق منفصلة تتوافق مع حالات طورية معينة للمادة. المنطقة الواقعة على يسار المنحنى الحدودي هي الطور السائل، وعلى اليمين منطقة البخار الجاف (الغاز). في المنطقة التي يحدها المنحنى ايه في كيهومحور الإحداثي، تتعايش مرحلتان في وقت واحد - السائل والبخار. خط أكيتوافق مع التكثيف الكامل للبخار، وهنا درجة الجفاف س= 0. الخط كيلو فولتيتوافق مع التبخر الكامل ، س = 1. الحد الأقصى للمنحنى يتوافق مع النقطة الحرجة ك، حيث تكون حالات المادة الثلاث ممكنة. بالإضافة إلى المنحنى الحدودي، يوضح الرسم البياني خطوط درجات الحرارة الثابتة (تساوي الحرارة، ت= const) والانتروبيا ( س= const)، موجهة بالتوازي مع محاور الإحداثيات، خطوط متساوية ( ص= const)، خطوط المحتوى الحراري الثابت ( أنا= ثابت). يتم توجيه الأيزوبارات في منطقة البخار الرطب بنفس طريقة توجيه الأيزوبارات؛ وفي منطقة البخار شديد السخونة يغيرون اتجاههم بشكل حاد نحو الأعلى. في منطقة الطور السائل، تندمج خطوط الأيزوبار تقريبًا مع المنحنى الحدودي، نظرًا لأن السوائل غير قابلة للضغط عمليًا.

جميع معلمات الغاز على الرسم البياني تي-سيشار إلى 1 كجم من الغاز.

منذ ذلك الحين، وفقا للتعريف الديناميكي الحراري
ثم حرارة تغير حالة الغاز
. وبالتالي، فإن المساحة الموجودة أسفل المنحنى الذي يصف التغير في حالة الغاز تساوي عدديًا طاقة (حرارة) التغير في الحالة.

تسمى عملية تغيير معلمات الغاز بعملية تغيير حالته. تتميز كل حالة غازية بمعلمات ص,الخامسو ت. أثناء عملية تغيير حالة الغاز، يمكن أن تتغير جميع المعلمات أو يمكن أن يبقى أحدها ثابتًا. وبالتالي، تسمى العملية التي تحدث بحجم ثابت متساوي اللونعند الضغط المستمر – متساوى الضغط، وعند درجة حرارة ثابتة - متحاور. عندما، في غياب التبادل الحراري بين الغاز والبيئة الخارجية (لا تتم إزالة الحرارة أو توفيرها)، تتغير جميع المعلمات الثلاثة للغاز ( ص،الخامس,ت) الخامس عملية توسعها أو انكماشها , تسمى العملية ثابت الحرارة, وعندما تحدث التغييرات في معلمات الغاز مع الإمداد المستمر أو إزالة الحرارة – متعدد التوجهات.

مع تغير الضغط والحجم، اعتمادًا على طبيعة التبادل الحراري مع البيئة، يمكن أن يحدث التغير في حالة الغاز في آلات الضغط بشكل متساوي الحرارة، وثابت الحرارة، ومتعدد الاتجاهات.

في متحاوروفي هذه العملية، يتبع التغير في حالة الغاز قانون بويل-ماريوت:

الكهروضوئية =مقدار ثابت.

على الرسم البياني ص – الخامستم تصوير هذه العملية بالقطع الزائد (الشكل 4.2). عمل 1 كيلو غاز لممثلة بيانياً بالمساحة المظللة، والتي تساوي
، أي.

أو
. (4.9)

كمية الحرارة المنبعثة أثناء الضغط متساوي الحرارة لـ 1 كجم من الغاز والتي يجب إزالتها بالتبريد حتى تظل درجة حرارة الغاز ثابتة:

, (4.10)

أين ج الخامسو ج رهي السعات الحرارية النوعية للغاز عند حجم وضغط ثابتين، على التوالي.

على الرسم البياني تي-سعملية الضغط متساوي الحرارة للغاز من الضغط ر 1 للضغط ر 2 يتم تمثيله بخط مستقيم أب، مرسومة بين الأيزوبار ر 1 و ر 2 (الشكل 4.3).

الشكل 4.2 - عملية ضغط الغاز متساوي الحرارة في الرسم التخطيطي	الشكل 4.3 - عملية ضغط الغاز متساوي الحرارة في الرسم التخطيطي تي-س

والحرارة المكافئة لعمل الانضغاط تتمثل في المساحة المحدودة بالإحداثيات القصوى والخط المستقيم أب، أي.

. (4.11)

الشكل 4.4 - عمليات ضغط الغاز في الرسم التخطيطي
:

أ – عملية كاظمة للحرارة.

ب – عملية متساوية الحرارة

وبما أن التعبير الخاص بتحديد الشغل المبذول في عملية الضغط متساوي الحرارة يشمل فقط الحجم والضغط، فإنه ضمن حدود تطبيق المعادلة (4.4) لا يهم أي الغاز سيتم ضغطه. بمعنى آخر، يتطلب الضغط المتساوي الحرارة لـ 1 م 3 لأي غاز عند نفس الضغوط الأولية والنهائية نفس الكمية من الطاقة الميكانيكية.

في ثابت الحرارةفي عملية ضغط الغاز، يحدث تغير في حالته نتيجة لتغير طاقته الداخلية، وبالتالي درجة الحرارة.

بشكل عام، يتم وصف معادلة العملية الأديباتية بالتعبير:

, (4.12)

أين
– مؤشر ثابت الحرارة.

بيانياً (الشكل 4.4) تظهر هذه العملية في الرسم التخطيطي ص – الخامسسيتم تصويره على أنه قطع زائد أكثر انحدارًا مما هو عليه في الشكل. 4.2 منذ ذلك الحين ك> 1.

إذا قبلنا

، الذي - التي
. (4.13)

بسبب ال
و ر= const، يمكن التعبير عن المعادلة الناتجة بشكل مختلف:

أو
. (4.14)

من خلال التحويلات المناسبة، من الممكن الحصول على تبعيات لمعلمات الغاز الأخرى:

;
. (4.15)

وبالتالي، فإن درجة حرارة الغاز في نهاية ضغطه الأديباتي

. (4.16)

الشغل المبذول بواسطة 1 كجم من الغاز تحت ظروف عملية ثابتة الحرارة:

. (4.17)

الحرارة المنبعثة أثناء الضغط الأديباتي للغاز تعادل الشغل المبذول:

مع الأخذ في الاعتبار العلاقات (4.15)، العمل على ضغط الغاز أثناء عملية كاظمة

. (4.19)

تتميز عملية الضغط الأديباتي بالغياب التام للتبادل الحراري بين الغاز والبيئة، أي. دي كيو = 0، أ dS = dQ/T، لهذا دي إس = 0.

وهكذا، فإن عملية ضغط الغاز ثابت الحرارة تحدث عند إنتروبيا ثابتة ( س= ثابت). على الرسم البياني تي-سسيتم تمثيل هذه العملية بخط مستقيم أ.ب(الشكل 4.5).

الشكل 4.5 - تمثيل عمليات ضغط الغاز على الرسم التخطيطي تي-س

إذا تمت إزالة الحرارة المنبعثة أثناء عملية الضغط بكمية أقل مما هو ضروري لعملية متساوية الحرارة (وهو ما يحدث في جميع عمليات الضغط الحقيقية)، فسيكون الشغل الفعلي المنفق أكبر مما كان عليه أثناء الضغط متساوي الحرارة وأقل مما كان عليه أثناء الضغط الأديباتي:

, (4.20)

أين م- مؤشر متعدد التوجهات، ك>م> 1 (للهواء م
).

قيمة مؤشر متعدد التوجهات ميعتمد على طبيعة الغاز وظروف التبادل الحراري مع البيئة. في آلات الضغط دون تبريد، قد يكون المؤشر متعدد التوجهات أكبر من المؤشر الأديباتي ( م>ك) ، أي أن العملية في هذه الحالة تسير على طول مسار فائق الحرارة.

يتم حساب العمل المنفق على تخلخل الغازات باستخدام نفس المعادلات مثل العمل على ضغط الغازات. والفرق الوحيد هو أن ر 1 سيكون أقل من الضغط الجوي .

عملية ضغط متعدد التوجهاتضغط الغاز ر 1 حتى الضغط ر 2 في التين. سيتم تصوير 4.5 كخط مستقيم تكييف. كمية الحرارة المنبعثة أثناء الضغط متعدد التوجهات لـ 1 كجم من الغاز تساوي عدديًا الشغل المحدد للضغط:

درجة حرارة ضغط الغاز النهائية

. (4.22)

قوة،يعتمد إنفاق آلات الضغط على ضغط وتخلخل الغازات على أدائها وميزات تصميمها وتبادلها الحراري مع البيئة.

القوة النظرية المنفقة على ضغط الغاز
، يتم تحديده من خلال الإنتاجية والعمل المحدد للضغط:

, (4.23)

أين زو الخامس- الإنتاجية الجماعية والحجمية للآلة، على التوالي؛
- كثافة الغاز.

لذلك، بالنسبة لعمليات الضغط المختلفة، يكون استهلاك الطاقة النظري كما يلي:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

أين – الإنتاجية الحجمية لآلة الضغط، مخفضة لظروف الشفط.

الطاقة الفعلية المستهلكة أكبر لعدد من الأسباب، أي. الطاقة التي تستهلكها الآلة أعلى من تلك التي تنقلها إلى الغاز.

لتقييم فعالية آلات الضغط، يتم استخدام مقارنة هذه الآلة مع الآلة الأكثر اقتصادا من نفس الفئة.

تتم مقارنة الآلات المبردة بالآلات التي من شأنها ضغط الغاز بشكل متساوي الحرارة في ظل ظروف معينة. وفي هذه الحالة تسمى الكفاءة متساوية الحرارة،  من:

, (4.27)

أين ن- الطاقة الفعلية التي يستهلكها هذا الجهاز.

إذا كانت الآلات تعمل بدون تبريد، فإن ضغط الغاز فيها يحدث على طول بوليتروب، ومؤشره أعلى من مؤشر الأديباتيك ( م ك). لذلك، تتم مقارنة الطاقة المستهلكة في مثل هذه الآلات مع الطاقة التي ستنفقها الآلة أثناء ضغط الغاز الأدياباتي. نسبة هذه القوى هي الكفاءة الأديباتية:

. (4.28)

مع مراعاة الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك الميكانيكي في الآلة ومراعاة الكفاءة الميكانيكية. –  الفراء، القوة على عمود آلة الضغط:

أو
. (4.29)

يتم حساب قوة المحرك مع مراعاة الكفاءة. المحرك نفسه وكفاءته الانتقال:

. (4.30)

يتم أخذ قوة المحرك المثبتة بهامش (
):

. (4.31)

تتراوح القيمة  hell من 0.930.97، و from، اعتمادًا على درجة الضغط، لها قيمة 0.640.78؛ تتراوح الكفاءة الميكانيكية بين 0.850.95.

عادة ما تسمى الهيدروكربونات الغازية المستخرجة من حقول الغاز ومكثفات الغاز بالغاز الطبيعي نفسه. يعد الغاز الطبيعي حاليًا أحد أنواع الوقود المنزلية والصناعية الصديقة للبيئة. كما أنه يستخدم كمادة خام لإنتاج الهيدروجين وأسود الكربون (السخام) والإيثان والإيثيلين والأسيتيلين.

يتكون الغاز الطبيعي بشكل أساسي من الألكانات، ممثلة بشكل أساسي بالهيدروكربونات العادية التي يتراوح عدد ذرات الكربون فيها من 1 إلى 4 (C G C 4) والإيزوبيوتان.

المكون الرئيسي للغاز الطبيعي الجاف هو الميثان (93-98%)، حيث تبلغ نسبة H:C 33%. يتم احتواء المكونات الهيدروكربونية المتبقية بكميات أقل. الألكانات الغازية في الغاز الطبيعي لها نقطة غليان عند الضغط الطبيعي من -162 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية.

إذا كان الاهتمام الرئيسي في العالم في القرن العشرين منصبًا على دراسة واستكشاف وتطوير حقول الغاز الطبيعي، وهي عبارة عن تراكمات تقليدية (تقليدية) تحتوي على غاز من الهيدروكربونات، فإن الوضع الاقتصادي في القرن الحادي والعشرين يتطلب بالفعل تحولًا إلى موارد الغاز الطبيعي المحتملة الكبيرة الموجودة في المصادر غير التقليدية، أولاً إجمالي هيدرات الغاز الطبيعي (GH). تعد GGs مصدرًا مهمًا للغاية وغير متطور للغاز الطبيعي على الأرض. يمكن أن تكون منافسًا حقيقيًا للرواسب التقليدية نظرًا لمواردها الهائلة وتوزيعها الواسع وضحالتها وحالتها المركزة للغاز (يحتوي المتر المكعب من هيدرات الميثان الطبيعي في الحالة الصلبة على حوالي 164 متر مكعب من الميثان في الطور الغازي و0.87 متر مكعب من هيدرات الميثان الطبيعية في الحالة الصلبة. من الماء).

لقد مرت سنوات قليلة منذ اكتشاف الرواسب الأولى لهيدرات الغاز الطبيعي. الأولوية في اكتشافهم تعود للعلماء الروس. وفي مارس 2000، اكتشفت بعثة روسية بلجيكية رواسب فريدة من هيدرات الغاز في رواسب المياه العذبة في قاع بحيرة بايكال، على عمق عدة مئات من الأمتار من سطح الماء. ولأول مرة، تم استخراج بلورات كبيرة من هيدرات الغاز يصل حجمها إلى 7 سم من قاع البحيرة.

أثبتت الدراسات التي أجريت في مناطق مختلفة من العالم أن حوالي 98٪ من الموارد الهيدروكربونية موجودة في مياه المحيطات العالمية (قبالة سواحل أمريكا الشمالية والوسطى والجنوبية واليابان والنرويج وأفريقيا، وكذلك في بحر قزوين). والبحار السوداء) على أعماق مائية تزيد عن 200 - 700 م، و2% فقط - في الأجزاء شبه القطبية من القارات. وبحسب تقديرات المتوسط ​​المرجح تبلغ موارد رواسب هيدرات الغاز حوالي 21 ألف تريليون م3. عند المستوى الحالي لاستهلاك الطاقة، حتى باستخدام 10% فقط من موارد هيدرات الغاز، سيتم تزويد العالم بمواد خام عالية الجودة لإنتاج الطاقة الصديقة للبيئة لمدة 200 عام.

وفقًا لمجلس الطاقة العالمي، بحلول عام 2020، سيتم تقديم الغاز الطبيعي باعتباره الوقود الأكثر تقدمًا من الناحية التكنولوجية لمحركات الاحتراق الداخلي سواء من حيث إعداد المركبات، مما يتطلب الحد الأدنى من التكاليف لتحويل السيارة من الوقود السائل إلى الوقود الغازي، ومن حيث الوقود الطبيعي. احتياطيات الغاز.

تطلق كل من سيارات الغاز والبنزين نفس الكمية تقريبًا من الهيدروكربونات في الغلاف الجوي، وفي الوقت نفسه، ليست الهيدروكربونات نفسها هي التي تشكل خطراً على صحة الإنسان، ولكن منتجات الأكسدة الخاصة بها. ينبعث المحرك الذي يعمل بالبنزين الكثير من الهيدروكربونات المختلفة، ويصدر محرك الغاز غاز الميثان، وهو الأكثر مقاومة للأكسدة من بين جميع الهيدروكربونات المشبعة. ولذلك فإن انبعاثات المواد الهيدروكربونية من مركبة الغاز تكون أقل خطورة.

تحتل روسيا المرتبة الأولى في العالم من حيث احتياطيات الغاز الطبيعي (الميثان بشكل أساسي) وإنتاجه.

إن حصة الغاز الطبيعي في ميزان الوقود والطاقة في العالم متواضعة للغاية - 23٪. كما أن معدل نمو صناعة الغاز في معظم دول العالم منخفض أيضًا. والاستثناءات هي دول مثل روسيا وهولندا والنرويج وعدد آخر، حيث يمكن اعتبار أن “عصر النفط” قد تم استبداله بـ “عصر الغاز الطبيعي” أو “عصر الميثان”.

عند استخدام الغاز في المحركات المكربنة، فإن 1 م 3 منه للشاحنات، في المتوسط، يحل محل 1 لتر، وللسيارات - 1.2 لتر من البنزين.

إن استخدام الغاز الطبيعي المضغوط في النقل البري يمكن أن يضمن إنشاء مركبات بقوة أعلى بنسبة 30-40% من المركبات الحديثة التي تعمل بالبنزين، مع كفاءة فعالة تصل إلى 38-40%، مع زيادة عمر خدمة المحرك في الوقت نفسه بمقدار 1.5 مرة. وفترة تغيير الزيت مرتين.

العيب الرئيسي للغاز الطبيعي كوقود للمحركات هو في المقام الأول كثافة الطاقة الحجمية المنخفضة (1000 مرة) مقارنة بالوقود البترولي السائل - 0.034 ميجا جول / لتر للغاز الطبيعي، 31.3 و 35.6 ميجا جول / لتر للبنزين ووقود الديزل.

يعتبر الغاز الطبيعي في حد ذاته وقودًا ضخمًا للغاية، حيث أن كثافته أقل بستمائة مرة من كثافة البنزين. لتخزينه في حالة مضغوطة، عليك استخدام أسطوانات خاصة وثقيلة إلى حد ما. إن أسطوانات الغاز الضخمة المثبتة على السيارة تزيد من وزنها وتقلل من قدرتها على التحمل. يتم تخزين الغاز المضغوط بشكل رئيسي في أسطوانات معدنية. لم يتم تحديد نسبة الضغط العالي الأمثل لمحركات السيارات التي تعمل بالبنزين بسبب الحاجة إلى الحفاظ على القدرة على التحول بسرعة إلى البنزين، مما يؤدي إلى انخفاض قوة المحرك (ما يصل إلى 20٪)، ونتيجة لذلك تنخفض السرعة القصوى بنسبة 5-6%، مما يجعل من الصعب تشغيل المحرك في موسم البرد (أقل من 0 درجة مئوية)، وهو ما يفسر ارتفاع درجة حرارة الاشتعال والاشتعال الذاتي للغاز الطبيعي، لذلك يتم توفير سخانات وقود الغاز في الطاقة دائرة العرض وفي حالة عدم وجود تدفئة، من الممكن تشغيل المحرك على الوقود الزيتي ومن ثم التحول إلى الغاز بعد أن يسخن المحرك؛ يصبح تصميم نظام الوقود أكثر تعقيدا، ويزداد وزنه ويزداد حجم وتكلفة الصيانة والإصلاح بنسبة 3-10٪؛

وفقاً لقواعد السلامة، يجب إطلاق الغاز قبل ركن السيارة، وخاصة في المرآب. وفي بداية يوم العمل عليك الذهاب إلى محطة تعبئة غاز متخصصة للتزود بالوقود السائل، وهو أمر غير مريح للغاية.

المحولات الحفازة لغاز عادم المركبات المصممة للبنزين غير فعالة في تقليل أكاسيد النيتروجين والميثان عند تشغيلها بالغاز الطبيعي. هناك حاجة إلى تحسينات على المحركات والمحولات الحفازة. من وجهة نظر بيئية، يمكن أن يكون محرك الغاز المزود بمحول حفاز متغير ثلاثي المراحل هو الحل الواعد لتحقيق خفض في انبعاثات جميع الملوثات بنسبة تزيد عن 90%.

يعد استخدام الغاز الطبيعي في محركات الديزل أمرًا صعبًا نظرًا لارتفاع درجة حرارة الاشتعال الذاتي نسبيًا وانخفاض رقم السيتان. للتغلب على هذه الصعوبة، يتم استخدام ما يسمى بنظام الوقود المزدوج - حيث يتم حقن كمية صغيرة من وقود الديزل في غرفة الاحتراق كشحنة تجريبية، ومن ثم يتم توفير الغاز الطبيعي المضغوط. في بعض الأحيان يكون من الضروري تثبيت نظام الإشعال بالشرارة. تُستخدم محركات الديزل التي تعمل بالغاز الطبيعي على نطاق واسع في صناعة الغاز نفسها في وحدات ضخ الغاز المكبسية ومولدات المحركات ذات الإشعال بالشرارة والشعلة المسبقة.

تجدر الإشارة إلى أن الوقود الغازي هو النوع الوحيد من الوقود البديل الذي تم حل المشاكل التقنية والبيئية لاستخدامه إلى حد كبير في روسيا، على الرغم من أن بعض الصعوبات ناجمة عن كسر نفسية المستهلك، الذي يتحيز تجاه الوقود غير العادي.

إن استخدام الغاز الطبيعي المضغوط في الطيران يجعل من الممكن إجراء تغيير جذري في الخصائص البيئية لغازات العادم، والقضاء على النقص في وقود الطائرات لعدة عقود وتقليل تكاليف الوقود بشكل كبير.

أظهر تحليل احتمالات استخدام الغاز الطبيعي على متن السفن أنه يمكن التوصية باستخدام هذا النوع من ناقلات الطاقة فقط في سفن الخدمة والأسطول المساعد.

1.1.2 الغازات المحتوية على الميثان من طبقات الفحم والغلاف المائي تحت الأرض

لقد وجد ميثان الفحم المستخرج من صخور الفحم تطبيقًا عمليًا. وقد تم تصنيفه مؤخرًا كنوع بديل لوقود السيارات. كميتها مماثلة لموارد الفحم (104 مليار طن).

على الرغم من أنه يتم إنتاج القليل من غاز الميثان من مناجم الفحم في العالم، إلا أنه تم استخدامه بالفعل. بحلول عام 1990، في الولايات المتحدة الأمريكية وإيطاليا وألمانيا وبريطانيا العظمى، كانت أكثر من 90 ألف سيارة تعمل بغاز الميثان من مناجم الفحم. في المملكة المتحدة، على سبيل المثال، يتم استخدامه على نطاق واسع كوقود للسيارات للحافلات العادية في المناطق المنتجة للفحم في البلاد. يتراوح محتوى الميثان في غاز المنجم من 1 إلى 98%. كوقود للسيارات، فإن الاهتمام الأكبر ينصب على الغاز المستخرج من طبقات الفحم، خارج مناطق نفوذ عمليات التعدين، باستخدام تقنيات تعدين غاز الفحم. وجوهر مثل هذا الحقل هو استخراج الغاز عن طريق الآبار المحفورة من السطح باستخدام طرق تحفيز استخلاص الغاز، بينما يحتوي غاز المنجم على 95-98% ميثان، 3-5% نيتروجين و1-3% ثاني أكسيد الكربون.

في روسيا، يجذب غاز الميثان من مناجم الفحم، كنوع من وقود الطاقة والمواد الخام الكيميائية، الانتباه من وجهة نظر الاحتياطيات المحتملة التي تم تحديدها حتى الآن.

وتجدر الإشارة إلى أن محتوى الغازات القابلة للاشتعال في طبقات الفحم يعتمد على عمق تعدين الاحتياطيات ويزداد كلما زاد. وهذا يؤدي إلى زيادة في كثافة وحجم إطلاق الغاز في أعمال المناجم.

حاليًا في روسيا، يتم استخراج غاز الميثان الموجود في طبقات الفحم والصخور المحيطة به من المناجم إلى السطح عن طريق محطات الضخ الفراغي من خلال آبار محفورة خصيصًا، ويتم إطلاقه من مساحة المنجم إلى الغلاف الجوي من خلال نظام التهوية.

وفي جميع الأحوال، فإن استخدام خليط الميثان والهواء كوقود للطاقة يتحدد من خلال تركيبته، أي: نسبة الميثان في حد ذاته والهواء. وتحدد النسبة المئوية لهذه المكونات قيمة الطاقة لخليط الميثان والهواء وإمكانية استخدامه، خاصة من حيث خطر الانفجار أثناء الاحتراق.

وقد أكدت الممارسة أن خليط الميثان والهواء الذي تتراوح نسبة الميثان فيه بين 2.5 إلى 30%، حسب التصنيف الحالي، يصنف على أنه دون المستوى وقابل للانفجار عند الاحتراق، كما أن المخاليط التي تحتوي على غاز الميثان النقي أقل من 2.5 وأكثر من 30% آمنة. عند حرقها في محطات توليد الطاقة. كلا الخليطين هما بالتأكيد مصادر محتملة لوقود الطاقة.

الاستخدام الفني لخليط الميثان والهواء دون المستوى المطلوب هو رفع محتوى الميثان النقي إلى المستويات القياسية (أكثر من 30% وأقل من 2.5%). يمكن تحقيق ذلك، أولاً، من خلال تحسين أنظمة تفريغ الغاز، مما يسمح بالحفاظ على محتوى الميثان في الخليط أعلى من 30%. لكن تنفيذ هذا المسار، إذا حكمنا من خلال حصة غاز الميثان من المناجم دون المستوى المطلوب في الهيكل العام لإنتاج الميثان، يواجه بعض الصعوبات. الطريقة الثانية هي زيادة تركيز الميثان عن طريق إضافة الغاز الطبيعي إلى الخليط. الاتجاه الثالث - تقليل تركيز غاز الميثان إلى الحد الأدنى للانفجار عن طريق تخفيف الخليط بالهواء - هو الأبسط من حيث التنفيذ العملي.

حاليًا في روسيا، تم تحقيق أفضل نجاح في تفريغ واستخدام غاز الميثان من مناجم الفحم في حوض فوركوتا، حيث يتم استخدامه في غرف الغلايات وسخانات الحريق والمجففات. تتيح التقنيات الحديثة استخلاص غاز الميثان بشكل فعال من طبقات الفحم الضحلة ذات السماكة العالية والتشبع الغازي العالي، حيث يمكن استخدام طرق تكثيف تدفقات الغاز إلى الوجه. هناك عدد قليل فقط من المناطق الحاملة لغاز الفحم في العالم تلبي هذه الشروط، وبالتالي، على الرغم من الموارد العالية من غاز الميثان الموجود في طبقة الفحم، فمن غير المرجح أن يتجاوز الإنتاج الفعلي للغاز في السنوات المقبلة 5% إلى 10% من إجمالي إنتاج الغاز.

مذاب في الماء أالغازات المتفرقة في الغلاف المائي تحت الأرض(حتى أعماق 4500 م) تتوزع في كل مكان تقريبًا في القشرة الأرضية. ويصل إجمالي موارد الغاز في المياه الجوفية إلى أعماق 4500 م، حسب تقديرات VNIGRI، إلى 10000 تريليون م/ وإلى أعماق لا تتجاوز 10 كم في المتوسط،

الغلاف المائي تحت الأرض للأرض، بسبب قابلية الذوبان العالية للهيدروكربونات ومكونات الغاز الأخرى فيها، يكون في الزمن الجيولوجي في حالة تشبع دائم بالغاز، وأحيانًا تقدمي، في الغالب بالهيدروكربونات، مما يؤدي حتماً إلى تكوين مناطق شديدة التشبع بالغاز . إن دراسة هذه المناطق، التي تم إنشاؤها الآن بشكل موثوق ضمن منصات شابة، وكذلك تلك التي كانت موجودة في المراحل القديمة من تطور عدد من المناطق، تجعل من الممكن الكشف عن طبيعة الروابط الجيوكيميائية بين رواسب الهيدروكربون والغاز. المياه الجوفية المشبعة.

إن حجم البحث العلمي في مجال هيدروجيولوجيا النفط والغاز هو إنشاء نمط عام يتم بموجبه الرواسب الصناعية من الغاز، وربما النفط،" هي نتيجة للعملية العالمية لتشبع الغاز في الغلاف المائي تحت الأرض.

يتوافق النموذج التخطيطي أعلاه بشكل وثيق إلى حد ما مع الظروف الطبيعية للمقاطعات والمناطق الحاملة للغاز المحددة التالية.

الغاز الحيوي

في السابق، لم يفكر أحد في روسيا بجدية في استخدام الوقود الغازي من الموارد المحلية. يمكن لدولة ذات احتياطيات كبيرة من النفط والغاز أن تتحمل هذا الأمر. وفي البلدان التي لا تملك موارد طبيعية، منذ منتصف الثمانينات، تم تسجيل جميع المصادر المحلية المحتملة لوقود السيارات البديل ووضعها في حيز الإنتاج. وتشمل هذه في المقام الأول أنواعًا مختلفة من الكتلة الحيوية ذات الأصل النباتي والحيواني.

الغاز الحيوي عبارة عن خليط من الميثان وثاني أكسيد الكربون يتكون أثناء تخمير الميثان للكتلة الحيوية المختلفة. يحدث تخمر الميثان - نتيجة التكاثر الحيوي الطبيعي للبكتيريا اللاهوائية - عند درجات حرارة تتراوح من 10 إلى 55 درجة مئوية في ثلاثة نطاقات: 10...25 درجة مئوية - محب للذهان؛ 25.40 درجة مئوية - محب للاعتدال. 52...55 درجة مئوية - محبة للحرارة. تتراوح رطوبة النظام من 8 إلى 99 %, القيمة المثلى هي 92 - 93٪. يختلف محتوى الميثان في الغاز الحيوي اعتمادًا على التركيب الكيميائي للمادة الخام ويمكن أن يصل إلى 50-90٪.

الغاز الحيوي، من وجهة نظر الإنتاج الصناعي واستخدامه في محركات المركبات، له أهمية عملية جادة بالنسبة لروسيا. في بلدنا، يتراكم ما يصل إلى 300 مليون طن (بالمادة الجافة) من النفايات العضوية سنويًا: 250 مليون طن في الإنتاج الزراعي، و50 مليون طن على شكل نفايات صلبة. تعتبر هذه النفايات مواد خام ممتازة لإنتاج الغاز الحيوي. ويمكن أن يصل الحجم المحتمل للغاز الحيوي المنتج سنويا إلى 90 مليار م3، أي 40 مليون طن من مكافئ النفط بقيمة 20 مليار يورو. يمكن أن تصل القيمة الإجمالية المحتملة للحجم المنتج من الوقود الحيوي (الغاز الاصطناعي والغاز الحيوي) إلى 35 مليار يورو سنويًا.

من الأفضل إجراء عملية تخمير النفايات في أجهزة الهضم - الخزانات المعدنية أو الخرسانية المسلحة مع التسخين والخلط.

لإنتاج الغاز الحيوي من النفايات الصلبة البلدية (MSW)، يتم سحقه أولاً ثم خلطه في هاضم مع حمأة الصرف الصحي من خزانات الترسيب في مرافق المعالجة. تحتوي الغازات على ما يصل إلى 50% ميثان، و25% ثاني أكسيد الكربون، وما يصل إلى 2% هيدروجين ونيتروجين. تُستخدم هذه التكنولوجيا على نطاق واسع في الخارج - في الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا واليابان والسويد.

يعد الغاز الحيوي أحد أكثر أنواع وقود السيارات الواعدة المنتجة من المواد الخام المحلية من وجهة نظر الإنتاج الصناعي واستخدامها في محركات المركبات. وفي فترة قصيرة من الزمن، تم إنشاء صناعة كاملة لإنتاج الغاز الحيوي في العديد من البلدان حول العالم.

ويستخدم جزء كبير من الغاز الحيوي المنتج لتوليد الكهرباء.

من بين الدول الصناعية، تحتل الدنمارك المكانة الرائدة في إنتاج واستخدام الغاز الحيوي

وكما تبين الممارسة، فإن إنتاج غازات الصرف الصحي من محطة المعالجة التي تغذيها شبكة الصرف الصحي التي تخدم مستوطنة يبلغ عدد سكانها 100 ألف نسمة يصل إلى أكثر من 2500 م3 يوميا، أي ما يعادل 2000 لتر من البنزين.

يشمل إنتاج الغاز الحيوي أيضًا إنتاج غاز مدافن النفايات، أو الغاز الحيوي من النفايات الناتجة عن مدافن النفايات. حاليًا، في العديد من البلدان، يتم إنشاء مرافق تخزين مجهزة خصيصًا للنفايات الصلبة البلدية من أجل استخراج الغاز الحيوي منها لإنتاج الطاقة الكهربائية والحرارية. تتوفر في الزراعة كميات كبيرة من المواد الخام اللازمة للتخمير.

تعتبر تقنيات الغاز الحيوي فعالة في أي منطقة مناخية في روسيا الشاسعة. وبهذه الطريقة، يتم بالفعل إنتاج الوقود الغازي والأسمدة العضوية عالية الفعالية، والتي تعتبر ضرورية للغاية للزراعة الروسية الحديثة

ومع ذلك، فإن إنشاء محركات المركبات التي تعمل بالغاز ذي القيمة الحرارية المنخفضة، مثل الغاز الحيوي، يمثل بعض الصعوبات. ولذلك، فمن الأفضل عدم استخدام الغاز الحيوي، ولكن الميثان الحيوي الذي يتم الحصول عليه منه. وللقيام بذلك، تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون والشوائب الأخرى من الغاز الحيوي. ويحتوي الغاز الناتج (الميثان الحيوي) على 90-97% من الميثان وله قيمة حرارية تبلغ 35-40 ميجا جول/م3. يمكن تنقية الغاز الحيوي من ثاني أكسيد الكربون بطرق مختلفة. الأكثر شيوعا: غسل الغاز بامتصاص السوائل (على سبيل المثال، الماء)، التجميد، الامتزاز في درجات حرارة منخفضة.

يحتوي الميثان الحيوي، مثل أنواع الوقود الغازي الأخرى، على تركيز طاقة حجمي منخفض.

الغازات المسالة

معلومات ذات صله.