Размышления о том, что ждет нас в будущем и раньше не давало покоя ученым. Сегодня на эту тему говорят все: от государственных руководителей до школьников. Глобальное потепление, таяние вековых льдов, демографические проблемы, клонирование человека, современные и будущие средства связи и передвижения, зависимость людей от энергоносителей… И все-таки одной из наиболее популярных сегодня тем является вопрос альтернативного топлива.
Топливо будущего - альтернатива природным ископаемым
Природные виды топлива в настоящее время являются нашим основным источником энергии. Углеводороды сжигают, чтобы разрушить молекулярные связи и освободить их энергию. Высокий уровень потребления ископаемых видов топлива приводит к значительному загрязнению природной среды, когда они сжигаются.
Мы живем в 21 веке, это время новых технологий, и многие ученые считают, что пришло время для создания альтернативного топлива будущего, которое способно заменить традиционное топливо и ликвидировать нашу зависимость от него. За последние 150 лет, использование углеводородов увеличило количество углекислого газа в атмосфере на 25%. Сжигание углеводородов приводит и к другим видам загрязнения, таким как смог, кислотные дожди и загрязнение воздуха. Этот тип загрязнения не только наносит вред окружающей среде, здоровью животных и людей, но, кроме того, приводит к войнам, так как ископаемые виды топлива являются не возобновляемыми ресурсами и, в конечном счете, закончатся. На данный момент важно найти новые решения и установить альтернативные источники топлива для будущего.
Пока одни ученые решают вопрос увеличения коэффициента нефтеотдачи продуктивных пластов, а другие ищут пути получения газообразного топлива из горючих сланцев, третьи пришли к выводу, что потребность в топливе можно удовлетворить обычным дедовским методом. Речь идет о "твердых нефтепродуктах", природном топливе - дровах. Идею "старую как мир" подхватили специалисты Стэнфордского университета в США, к ним присоединились и ученые университета штата Джорджия. Конечно, здесь нужны особые быстрорастущие сорта деревьев типа ольхи или платанов, которые дают до 40 т древесины с 1 га в год.
Платан - Platanus - могучее дерево с густой раскидистой кроной и толстым стволом - родоначальник обширного семейства платановых. Всео насчитывается в роду платанов около 10 видов. Высота платана достигает 60м, а длина окружности ствола - до 18м! Ствол платана ровной цилиндрической формы, кора зеленовато - серого цвета, отслаивающаяся. Листья платана пальчато-лопастные, с удлиненными черешками.
После вырубки деревьев платанов на земле остается листва, которую можно использовать для природного удобрения. Древесина платана измельчается в дробилках и подается в топку электростанций. Участок насаждения платанов в 125 км2 может обеспечить энергией город с населением 80 тыс. человек. На вырубленных площадях уже через 2-4 года из побегов вновь вырастут новые деревья платаны, пригодные для топлива. Ученые посчитали, что если 3 % территории России и Украины отвести под „энергетические плантации платанов" для выращивания природного топлива, то страны могли бы полностью удовлетворить свои потребности в топливе за счет дров.
Главным преимуществом использования "выращенного природного топлива", в противоположность "ископаемому топливу" (каменный уголь, природный газ и нефть) является то, что в процессе роста энергетический лес платанов адсорбирует углекислый газ, который позже высвобождается при его горении. Это значит, что при сжигании платанов в атмосферу выбрасывается такое количество СО2, которое поглощалось платаном во время его роста. При сжигании же ископаемого топлива, мы увеличиваем содержание СО2 в атмосфере, а это главная причина глобального потепления.
Новое топливо перспективно как ценный возобновляемый источник энергии и это будет более важным в будущем. Уже сегодня, например, крупнейшая в Европе электростанция на платане, находится в Зиммеринге (Австрия). Ее мощность 66 МВт,при ежегодном потреблении 190 тысяч тонн платана, выращиваемом здесь же в радиусе 100 км. А в Германии мощность энергетических лесов достигает 20 миллионов кубометров древесины в год.
Новые виды топлива
Американским сторонникам „дровенизации" бытовой теплоэнергетики вторят их коллеги из Европы. В Бельгии, например, в 1988г газета „Саар" напечатала статью, где назвала дрова природным топливом будущего, как альтернативу применения нефтепродуктов. Для этих же целей предлагается использовать и макулатуру. Там в магазинах уже продается ручной пресс для изготовления брикетов из макулатуры, не уступающие по своей калорийности буроугольным.
Также можно купить специальные экономичные печи, работающие по принципу газогенератора, конструкция которых препятствует уходу тепла через дымовую трубу. Дрова и брикеты макулатуры сгорают в этой печи очень медленно: вязанка - за 8 ч. При этом дрова сгорают полностью, отсутствует выделение в атмосферу золы и сажи. Отапливание помещений такими печами очень выгодно, ведь килограмм дров при сравнимой калорийности стоит в 10 раз меньше литра жидкого топлива, для хранения которого еще и требуются специальные емкости топлива .
В нимание другой группы американских ученых привлекли быстрорастущие бурые водоросли. Морские насаждения предлагается перерабатывать в газообразный метан с помощью бактерий. Также возможно получение нефтеподобные веществ путем нагревания. По расчетам, природная ферма в океане площадью насаждений 40 тыс. га сможет в будущем снабжать энергией город с населением 50 тыс. человек. Ученые из Франции предлагают использовать в качестве альтернативного топлива одноклеточные водоросли. Оказывается, эти микроскопические организмы выделяют углеводороды в процессе своей жизнедеятельности. Выращивая водоросли в специальных емкостях и снабжая их углекислым газом и минеральными солями, можно регулярно „собирать урожай углеводородов" и получать природное топливо.
Естественные природные „бензоколонки АЗС" обнаружены и в тропиках Южной Америки, на Филиппинах. Некоторые виды лиан и тропических деревьев содержат природное топливо - "солярку", которую даже не надо подвергать перегонке. Альтернативное топливо из лиан прекрасно горит в автомобильных моторах, давая менее токсичный выхлоп, чем бензин. Подходит для производства топ-лива и пальмовое масло, из которого сравнительно легко можно получать „солярку".
Но пока это все в области научной фантастики. Более реален проект получения синтетического топлива из древесного угля. Довольно простой метод разработан учеными США. Уголь измельчается, обрабатывается растворителем, и в полученную смесь добавляется водород. Из тонны угля получается почти 650 л синтетического топлива, из которой можно вырабатывать синтетический бензин.
Ученые США всерьез занялись подземной газификацией угольных пластов. Методом пиролиза из него получают 40 % метанового газа, 45 % кокса и 3 % жидкого топлива. Специалистами разработан совсем неожиданный способ получения топлива будущего... из мусора. Из отходов жизнедеятельности человека предварительно извлекают магнитные и немагнитные металлы, которые вдальнейшем отправляют в переплавку. Новая технология переработки отходов стекла позволяет получить из осколков стекло более дешевое и более высокого качества, чем исходное сырье. Остатки мусора перерабатываются в кокс, метановый газ и жидкое топливо. „Мусорные" нефтепродукты испытывали на опытных установках - горят прекрасно. Из тонны мусора таким способом „добывают" от 6 до 20 долларов. В 1976 - 1977 гг. в Сан-Диего вступил в строй специальный завод для переработки мусора.
Однако, над подобной проблемой успешно работают и в Великобритании. Здесь разработана и в натоящее время работает установка переработки мусора, в которой под действием высоких температур при сгорании вдуваемого кислорода из мусора (пластмассовые упаковки и бутылки, пищевые отбросы, обрывки газет, тряпки и т.д.) получают синтетические нефтепродукты и метановый газ с водородом. Жидкое синтетическое топливо и газ предполагают хранение в резервуарах и использовать частично для работы дизеля, а частично для переплавки битого стекла, из которого можно получать строительные блоки. В будущем планируется переработка мусора в старых доменных печах. Это даст высокую производительность, экономию времени и средств на постройку новых мусоросжигающих заводов. Как показали эксперименты, в дело пойдет и остающийся шлак - он пригоден для замены гравия при выполнении бетонных работ .
А вот еще два способа получения синтетического бензина. Французский инженер А. Ротлисберже получил альтернативный бензин из сухих стеблей кукурузы. Автор утверждает, что новое топливо будущего с октановым числом 98 вполне можно добывать из соломы, опилок, ботвы овощей и других отходов, содержащих целлюлозные волокна. Под нажимом правительственных структур изобретатель засекретил технологию синтеза нового топлива, но известно, что качество нового бензина во многом зависит от сложных стабилизирующих добавок, вводимых в спирты и изопропиниловые эфиры, получаемые из целлюлозы. Новое альтернативное топливо не детонирует, сгорает без дыма и запахов. Его можно смешивать в любых пропорциях с обычным бензином. При этом в будущем, конструктивных изменений в двигателях не требуется. Франция намерена со временем довести производство нового бензина до 20 млн.т в год.
Еще один изобретатель искусственного бензина живет в Швейцарии. Исходным материалом служит щепа, кукурузная шелуха, полиэтиленовые пакеты. Да вот беда, „бензин будущего" пахнет самогоном. Изобретателю приходится платить 8 % налога как за изготовление алкогольных напитков. Тем не менее 1 л искусственного „бензина будущего" стоит в 2 раза дешевле настоящего, а автомобиль работает исправно, как новый.
Разработки изобретателей не ограничиваются только искусственным бензином, предлагаются оригинальные методы получения углеводородного газа для бытовых целей. Один из которых разработан в Германии. В качестве нового источника альтернативной энергии будущего выступает свалка мусора в пригородном местечке Шверборн. При заполнении свалки под ней заложили сеть газовых колодцев и трубопроводов. Оказывается, 1 кг мусора дает до 200 л газа, из которого 100 литров - метан. Пока на свалке "добывают" в час 40 м3 газа.
Новое топливо отапливает производственные помещения. Планируется сооружение теплоцентрали на альтернативном топливе для отопления поселка. По расчетам, затраты на получение альтернативного топлива окупятся за 3,5 года.
Второй способ еще более неожиданный. С предложением выступили власти г. Оттапалам в штате Керала (Индия). Рецепт нового топлива следующий: Колодец заполняется коровьим навозом и герметично закрывается. Образующийся при брожении газ по подсоединенным трубам отводится к газовым плитам в домах. Такая биогазовая установка полностью удовлетворяет потребность семьи в биоэнергии для домашнего пользования. Сегодня в Индии разработаны и применяются 53 модели биогазовых систем. Ими эффективно пользуются около 3,5 млн. семей. Правительство страны активно поддерживает распространение биогазовых установок. Уже сейчас за счет этого экономится около 1,2 млрд. рупий в год.
Солнечная энергия - технология будущего
В начале статьи мы упоминали различные новые технологии получения энергии. Фотоэлектрические системы (или солнечные батареи) – это еще одна «технология будущего», применяющаяся уже сегодня.
Сейчас многие используют солнечные батареи в качестве основного или резервного источника электроэнергии для жилых домов и офисных зданий. Если вы недавно были на море, то могли заметить, что в навигационных буях также применяют энергию солнечных батарей. Уже давно они «взяты на вооружение» военными: во время операции «Буря в пустыне» полевые радиостанции были оснащены облегченными солнечными батареями ECD.
В будущем масштабы использования солнечных батарей будут только расти. Недавно компания ECD, в сотрудничестве с Texaco, предложила технологию использования энергии солнца для электроснабжения нефтедобывающего оборудования на нефтяном месторождении площадью двести гектаров в Бейкерсфилде (штат Калифорния). Ранее для добычи трех баррелей нефти один сжигали в парогенераторе. Использование солнечной энергии не только приведет к снижению расхода невосполнимых ресурсов, но и уменьшит вредные выбросы и шум.
/ Энергия будущего: что делать, когда закончатся нефть, газ и уголь
05.10.2011. Энергия будущего: что делать, когда закончатся нефть, газ и уголь
Великий русский поэт Александр Пушкин, пытаясь передать прелесть белых ночей в Санкт-Петербурге, когда-то писал: «Пишу, читаю без лампады, и ясны спящие громады». К счастью, современному человеку лампада для чтения не нужна - на смену ей давно пришло электричество, представить жизнь без которого почти невозможно.
Однако эксперты предупреждают, что так будет не всегда. По примерным оценкам, через 100-150 лет нефть, газ и уголь, используемые как топливо для большинства электростанций, закончатся, и электричество станет роскошью. Что же в таком случае делать человечеству? Выходом может стать альтернативная энергетика. Правда, в России она пока совершенно не развита.
Россия замыкает
Вариантов нестандартного получения энергии за счет возобновляемых источников великое множество. В качестве одной из альтернатив, которая могла бы прийти на смену нефти и газу, раньше называлась атомная энергия. Однако после аварии на «Фукусиме», приведшей к значительному выбросу смертельной радиации, многие страны задумались об опасности мирного атома.
Другим вариантом замены углеводородов могли бы стать крупные гидроэлектростанции. Но и здесь есть проблема - их потенциал ограничен, и построить их можно далеко не везде. Получается, что ГЭС могут обеспечивать электричеством только небольшое количество людей.
В результате интерес мирового сообщества сосредоточился на нетрадиционных источниках энергии. В число перспективных направлений вошли солнечная энергетика, ветряная, биотопливная, а также мини-гидроэлектростанции, в том числе на основе геотермальной энергии и работающие на силе прилива.
Главными преимуществами альтернативных технологий перед нефтью и газом является высокая экологическая безопасность. Как отмечает представитель «РусГидро» (в России компания занимается возобновляемыми источниками) Иван Слива, при их работе практически нет отходов, выброса загрязняющих веществ в атмосферу или водоемы.
Отсутствуют и экологические издержки, связанные с добычей, переработкой, транспортировкой и утилизацией топлива. Кроме того, альтернативные технологии позволяют обеспечить энергией регионы, куда транспортировка традиционных источников затруднена.
В хозяйстве все сгодится
Потенциал возобновляемых источников энергии в России колоссален. Как отмечает директор по направлению «экология и энергоэффективность» Агентства по прогнозированию балансов в электроэнергетике (АПБЭ) Ольга Новоселова, этот потенциал достигает 4,5 млрд тонн условного топлива в год, что более чем в четыре раза превышает ежегодное внутреннее потребление первичных энергоресурсов в стране. При этом практически в каждом российском регионе есть свой вид возобновляемого ресурса.
Одним из наиболее перспективных направлений является ветроэнергетика. Технический потенциал отрасли в России оценивается в 50 млрд кВт/ч в год, а экономический - около 30% от всего производства электроэнергии в стране. При этом суммарная мощность всех ветровых электростанций РФ до сих пор не превышает 18 МВт.
Еще одним интересным для нашей страны направлением эксперты называют биоэнергетику. Ежегодно в России образуется порядка 100 млн тонн пригодных для получения энергии отходов биомассы - навоз, свалки, опилки, стружки и много другое. Энергетическая ценность такого мусора составляет до 300 млн МВт/ч, при этом уровень реальной утилизации не превышает 10%, отмечают в АПБЭ. Из биотоплива можно производить и биогаз, который является альтернативой природному газу в селе. По оценкам экспертов, биогазовый потенциал России эквивалентен 60-80 млрд кубометров в год (около 10% современной газодобычи в России). И в ближайшее время ожидается бум, в стадии утверждения десятки проектов общей мощностью до 50 МВт.
В области солнечной энергетики в целом суммарный объем введенных мощностей по разным оценкам, составляет не более 5 МВт. При этом уровень инсоляции России сопоставим с показателями той же Германии, где объем солнечной генерации на сегодняшний день достиг уже 20 ГВт. По оценкам координатора Ассоциации солнечной энергетики России Антона Усачева, большим потенциалом обладают южные территории России, а также регионы Дальнего Востока.
Значительные возможности скрыты и в энергетических технологиях, связанных с водой. В частности, на Кавказе есть возможности для строительства мини-ГЭС, а на Камчатке - геотермальных электростанций. Также в России существуют проекты приливных энергообъектов.
Огорчает лишь тот факт, что, несмотря на значительные ресурсы, уже реализованные российские проекты в области альтернативной энергетики пока можно пересчитать по пальцам. Например, в области производства биотоплива особо выделяется Вологодская область, где построен ряд мини-ТЭЦ, работающих на древесных отходах, отмечает специалист «Института проблем естественных монополий (ИПЭМ)» Сергей Белов.
В области геотермальной энергетики еще в 1966г. на Камчатке была построена экспериментальная Паужетская геотермальная электростанция мощностью 11 МВт, а в 2003г. была пущена в эксплуатацию Мутновская ГеоЭС, мощность которой в настоящее время составляет 60 МВт. В сфере ветряной генерации стоит отметить Куликовскую ВЭС, крупнейшую ветряную электростанцию в России, которая была введена в эксплуатацию в 2002г. с мощностью 5,1 МВт.
Конечно, в России есть еще много интересных проектов, в том числе и находящихся в стадии строительства. Однако даже если собрать их все воедино - вряд ли они смогут как-то изменить ситуацию в этой сфере и обеспечить электроэнергией значительную часть населения. Правда, у каждого из нас также есть возможность внести свою лепту в альтернативную энергетику, установив у себя дома или на даче свой источник электричества.
Народный подход
Среди населения спрос на альтернативную энергетику растет параллельно с ростом цен на электричество. Интереса к ней добавляет и низкое качество современного электроснабжения, зачастую приводящее к порче бытовой техники и многодневным отключениям. При этом российские и иностранные «кулибины» готовы предложить населению целый спектр решений в области независимого электроснабжения.
Несмотря на то, что Россия не самая солнечная страна в мире, наибольшей популярностью пользуются маленькие солнечные электростанции. Некоторые фирмы уже за 40 тыс. руб. готовы поставить комплекс оборудования, которые в летние месяцы может обеспечить светом дачный дом, подзарядить батарейки телефонов и ноутбуков и даже выдержать на какое-то время чайник и холодильник. Если купить комплекс за 200 тыс. руб. - то холодильник сможет работать несколько дольше, в сеть можно включать утюг и другие приборы. Есть возможность приобрести и мобильные солнечные модули, позволяющие заряжать телефоны и фонари в походе.
Минусом такой техники является тот факт, что зимой электричества с ее помощью в центральной России получить практически невозможно.
Еще одним вариантом получения энергии может стать установка комбинированной системы, включающей возможности получения ветровой и солнечной энергии, а в их отсутствии - с помощью традиционных источников. Подобная система способна надежно обеспечить электричеством в случае перебоев в электроснабжении.
Также можно установить и собственную ветровую станцию. В частности, одна из компаний готова поставить ветровую электростанцию. Предполагается, что при удачной эксплуатации стоимость вырабатываемой ею электроэнергии может составить 50-60 копеек за киловатт.
Большой потенциал есть и у строительства Микро-ГЭС. Правда, для таких станций есть требования к водным объектам, на которых они должны быть установлены. Как рассказал РБК генеральный директор компании, занимающейся альтернативными технологиями, - «Спецэнергоснаб» - Валерий Брянцев, для ГЭС мощностью 10 кВт может понадобиться водоем с перепадом высот от 2 метров или течением со скоростью 3,5-4 м в секунду. Если таких условий нет, возможно, придется сооружать небольшую плотину. Стоимость создания подобных ГЭС в среднем может быть около 2 тыс. долл. за один кВт мощности. При мощности в 10 кВт можно обеспечить более 40 коттеджей. Правда, не факт, что станция будет работать на полную.
Также перспективным направлением является производство биотоплива, в частности, биогаза на основе отходов со свалок, навоза и опилок. Здесь стоимость установок может варьироваться от нескольких десятков до сотен тысяч евро.
Почему нет?
Во всем мире в последнее время альтернативная энергетика бурно развивается - рост составляет 20-30% в год. Использование возобновляемых источников увеличивается не только в странах Европы и США. Например, Китай в 2010г. по сравнению с 2009г. увеличил потребление возобновляемой энергии на 74,5%, Турция - на 88,1%, Египет - на 35%, приводит данные генеральный директор исследовательского агентства INFOLine Иван Федяков.
Россия на общем фоне выглядит более чем скромно. В стране на альтернативные источники (кроме крупных ГЭС) приходится не более 1% от общего объема генерации и этот показатель не растет. На него не может повлиять даже применение «ручного» управления. К примеру, еще три года назад премьер-министр Владимир Путин призывал к 2020г. увеличить долю альтернативной энергетики до 4,5%, но за прошедший период она так и не изменилась ни на один процентный пункт. Между тем, во многих других странах эра альтернативных источников энергии уже началась. И примеров тому достаточно. Например, в Дании есть возможность использовать энергию ветра - и в некоторые ветряные ночи страна полностью обеспечивает свои потребности в электроэнергии за счет этой технологии. А Анталия (Турция) полностью отапливается за счет ресурсов солнца, которое там светит 300 дней в году.
Так что же мешает развитию альтернативной энергетики в России? Причин этому несколько, уверены эксперты. Прежде всего, мешает наличие нефти и газа и отсутствие хороших советников и объективной информации по возобновляемым источникам у высшего руководства страны, считает генеральный директор компании «Аэнерджи» Станислав Черница. Также влияют консерватизм, нежелание менять привычки, недостаток собственных ресурсов, как технических, так и человеческих.
Пеняют эксперты и на отсутствие государственной поддержки в этой области. Как поясняет Ольга Новоселова, не лучшим образом влияют недостаточно развитая нормативно-правовая база и отсутствие конкретных финансовых механизмов государственной поддержки. Между тем за рубежом для подобных технологий предусмотрены налоговые льготы и прямая государственная поддержка.
Конечно, у альтернативной энергетики есть и свои минусы. В частности, существует мнение, что солнечные модули при массовом использовании способны затемнить значительную часть суши, а производство биотоплива - истощить земли. Также аналитики отмечают непостоянство возобновляемых источников во времени, проблему с запасанием энергии, минимизации потерь при ее передаче на расстояния.
Другой аргумент - высокие капитальные затраты на подобные технологии. Например, строительство ветряков и солнечных панелей существенно дороже обычных электростанций, а инвестиции в нетрадиционную энергетику окупаются вполне традиционным способом - за счет конечного потребителя. В результате, полагает эксперт «Института проблем естественных монополий» Сергей Белов, альтернативная энергетика остается забавой для богатых, но обделенных природными ресурсами, регионов. Для России же, богатой на полезные ископаемые, более актуальными могли бы быть вопрос газификации и строительства инфраструктуры.
Однако неизвестно, помогут ли данные меры в решении энергетической проблемы - ведь энергетика, построенная на основе нефти, газа и угля, рано или поздно может столкнуться с исчерпаемостью этих ресурсов. А это, судя по всему, перспектива не самая дальняя. По прогнозам министра природных ресурсов Юрия Трутнева, углеводороды в мире могут закончиться уже через 100-150 лет. И какое место на изменившейся энергетической карте мира достанется в этом случае России - пока непонятно.
Наиболее важными источниками углеводородов являются природный и попутные нефтяные газы, нефть, каменный уголь.
По запасам природного газа первое место в мире принадлежит нашей стране. В природном газе содержатся углеводороды с низкой молекулярной массой. Он имеет следующий примерный состав (по объему): 80–98 % метана, 2–3 % его ближайших гомологов – этана, пропана, бутана и небольшое количество примесей – сероводорода Н 2 S, азота N 2 , благородных газов, оксида углерода(IV) CO 2 и паров воды H 2 O. Состав газа специфичен для каждого месторождения. Существует следующая закономерность: чем выше относительная молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе.
Природный газ широко используется как дешевое топливо с высокой теплотворной способностью (при сжигании 1м 3 выделяется до 54 400 кДж). Это один из лучших видов топлива для бытовых и промышленных нужд. Кроме того, природный газ служит ценным сырьем для химической промышленности: получения ацетилена, этилена, водорода, сажи, различных пластмасс, уксусной кислоты, красителей, медикаментов и других продуктов.
Попутные нефтяные газы находятся в залежах вместе с нефтью: они растворены в ней и находятся над нефтью, образуя газовую “шапку”. При извлечении нефти на поверхность газы вследствие резкого падения давления отделяются от нее. Раньше попутные газы не находили применения и при добыче нефти сжигались факельным способом. В настоящее время их улавливают и используют как топливо и ценное химическое сырье. В попутных газах содержится меньше метана, чем в природном газе, но больше этана, пропана, бутана и высших углеводородов. Кроме того, в них присутствуют в основном те же примеси, что и в природном газе: H 2 S, N 2 , благородные газы, пары Н 2 О, CO 2 . Из попутных газов извлекают индивидуальные углеводороды (этан, пропан, бутан и т.д.), их переработка позволяет получать путем дегидрирования непредельные углеводороды – пропилен, бутилен, бутадиен, из которых затем синтезируют каучуки и пластмассы. Смесь пропана и бутана (сжиженный газ) применяют как бытовое топливо. Газовый бензин (смесь пентана с гексаном) применяют как добавку к бензину для лучшего воспламенения горючего при запуске двигателя. Окислением углеводородов получают органические кислоты, спирты и другие продукты.
Нефть – маслянистая горючая жидкость темно-бурого или почти черного цвета с характерным запахом. Она легче воды ( = 0,73–0,97 г/ см 3), в воде практически нерастворима. По составу нефть – сложная смесь углеводородов различной молекулярной массы, поэтому у нее нет определенной температуры кипения.
Нефть состоит главным образом из жидких углеводородов (в них растворены твердые и газообразные углеводороды). Обычно это алканы (преимущественно нормального строения), циклоалканы и арены, соотношение которых в нефтях различных месторождений колеблется в широких пределах. Уральская нефть содержит больше аренов. Кроме углеводородов, нефть содержит кислородные, сернистые и азотистые органические соединения.
Сырая нефть обычно не применяется. Для получения из нефти технически ценных продуктов ее подвергают переработке.
Первичная переработка нефти заключается в ее перегонке. Перегонку производят на нефтеперерабатывающих заводах после отделения попутных газов. При перегонке нефти получают светлые нефтепродукты:
бензин (t кип = 40–200 °С) содержит углеводороды С 5 –С 11 ,
лигроин (t кип = 150–250 °С) содержит углеводороды С 8 –С 14 ,
керосин (t кип = 180–300 °С) содержит углеводороды С 12 –С 18 ,
газойль (t кип > 275 °С),
а в остатке – вязкую черную жидкость – мазут.
Мазут подвергают дальнейшей переработке. Его перегоняют под уменьшенным давлением (чтобы предупредить разложение) и выделяют смазочные масла: веретенное, машинное, цилиндровое и др. Из мазута некоторых сортов нефти выделяют вазелин и парафин. Остаток мазута после отгонки – гудрон – после частичного окисления применяется для получения асфальта. Главный недостаток перегонки нефти – малый выход бензина (не более 20 %).
Продукты перегонки нефти имеют различное применение.
Бензин в больших количествах используется как авиационное и автомобильное топливо. Он состоит обычно из углеводородов, содержащих в молекулах в среднем от 5 до 9 атомов С. Лигроин применяется как горючее для тракторов, а также как растворитель в лакокрасочной отрасли промышленности. Большие количества его перерабатывают в бензин. Керосин применяется как горючее для тракторов, реактивных самолетов и ракет, а также для бытовых нужд. Соляровое масло – газойль – используется как моторное топливо, а смазочные масла – для смазки механизмов. Вазелин используется в медицине. Он состоит из смеси жидких и твердых углеводородов. Парафин применяется для получения высших карбоновых кислот, для пропитки древесины в производстве спичек и карандашей, для изготовления свечей, гуталина и т.д. Он состоит из смеси твердых углеводородов. Мазут помимо переработки на смазочные масла и бензин используется в качестве котельного жидкого топлива.
При вторичных методах переработки нефти происходит изменение структуры углеводородов, входящих в ее состав. Среди этих методов большое значение имеет крекинг углеводородов нефти, проводимый с целью повышения выхода бензина (до 65–70 %).
Крекинг – процесс расщепления углеводородов, содержащихся в нефти, в результате которого образуются углеводороды с меньшим числом атомов С в молекуле. Различают два основных вида крекинга: термический и каталитический.
Термический крекинг проводится при нагревании исходного сырья (мазута и др.) при температуре 470–550 °С и давлении 2–6 МПа. При этом молекулы углеводородов с большим числом атомов С расщепляются на молекулы с меньшим числом атомов как предельных, так и непредельных углеводородов. Например:
(радикальный механизм),
Таким способом получают главным образом автомобильный бензин. Выход его из нефти достигает 70 %. Термический крекинг открыт русским инженером В.Г.Шуховым в 1891 г.
Каталитический крекинг проводится в присутствии катализаторов (обычно алюмосиликатов) при 450–500 °С и атмосферном давлении. Этим способом получают авиационный бензин с выходом до 80 %. Такому виду крекинга подвергается преимущественно керосиновая и газойлевая фракции нефти. При каталитическом крекинге наряду с реакциями расщепления протекают реакции изомеризации. В результате последних образуются предельные углеводороды с разветвленным углеродным скелетом молекул, что улучшает качество бензина:
Бензин каталитического крекинга обладает более высоким качеством. Процесс его получения протекает значительно быстрее, с меньшим расходом тепловой энергии. К тому же при каталитическом крекинге образуется относительно много углеводородов с разветвленной цепью (изосоединений), представляющих большую ценность для органического синтеза.
При t = 700 °С и выше происходит пиролиз.
Пиролиз – разложение органических веществ без доступа воздуха при высокой температуре. При пиролизе нефти основными продуктами реакции являются непредельные газообразные углеводороды (этилен, ацетилен) и ароматические – бензол, толуол и др. Поскольку пиролиз нефти – один из важнейших путей получения ароматических углеводородов, то этот процесс часто называют ароматизацией нефти.
Ароматизация – превращение алканов и циклоалканов в арены. При нагревании тяжелых фракций нефтепродуктов в присутствии катализатора (Pt или Mo) углеводороды, содержащие 6–8 атомов С в молекуле, превращаются в ароматические углеводороды. Эти процессы протекают при риформинге (облагораживание бензинов).
Риформинг – это ароматизация бензинов, осуществляемая в результате нагревания их в присутствии катализатора, например Pt. В этих условиях алканы и циклоалканы превращаются в ароматические углеводороды, вследствие чего октановое число бензинов также существенно повышается. Ароматизацию применяют для получения индивидуальных ароматических углеводородов (бензола, толуола) из бензиновых фракций нефти.
В последние годы углеводороды нефти широко используются как источник химического сырья. Различными способами из них получают вещества, необходимые для производства пластмасс, синтетического текстильного волокна, синтетического каучука, спиртов, кислот, синтетических моющих средств, взрывчатых веществ, ядохимикатов, синтетических жиров и т.д.
Каменный уголь так же, как природный газ и нефть, является источником энергии и ценным химическим сырьем.
Основной метод переработки каменного угля – коксование (сухая перегонка). При коксовании (нагревании до 1000 °С – 1200 °С без доступа воздуха) получаются различные продукты: кокс, каменноугольная смола, надсмольная вода и коксовый газ (схема).
Схема
Кокс используют в качестве восстановителя при производстве чугуна на металлургических заводах.
Каменноугольная смола служит источником ароматических углеводородов. Ее подвергают ректификационной перегонке и получают бензол, толуол, ксилол, нафталин, а также фенолы, азотсодержащие соединения и др. Пек – густая черная масса, оставшаяся после перегонки смолы, используется для приготовления электродов и кровельного толя.
Из надсмольной воды получают аммиак, сульфат аммония, фенол и др.
Коксовый газ применяют для обогревания коксовых печей (при сгорании 1м 3 выделяется около 18000 кДж), но в основном его подвергают химической переработке. Так, из него выделяют водород для синтеза аммиака, используемого затем для получения азотных удобрений, а также метан, бензол, толуол, сульфат аммония, этилен.
- 165.93 КбПриродные источники углеводородов
Нефть, газ и каменный уголь
11.11.2011
МОУ ПСШ№1
Отинова Валентина Андреевна
10(4)кл
1. Нефть
a) Физические свойства:
фракционная перегонка
б) Химические свойства:
крекинг, термический, каталитический крекинг
в) Получение
г) Применение
2. Газ
a) Получение
б) Применение
3. Каменный уголь
a) Каменный уголь, коксование
б) Применение
Заключение
Нефть
Физические свойства
Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим
запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком,
иногда почти черная, очень редко бесцветная.
Главнейшим свойством нефти, принесшим им мировую славу исключительных
энергоносителей, является их способность выделять при сгорании значительное
количество теплоты. Нефть и ее производные обладают наивысшей среди всех
видов топлив теплотой сгорания. Теплота сгорания нефти – 41 МДж/кг, бензина
– 42 МДж/кг. Важным показателем для нефти является температура кипения,
которая зависит от строения входящих в состав нефти углеводородов и
колеблется от 50 до 550°С.
Нефть, как и любая жидкость, при определенной температуре закипает и
переходит в газообразное состояние. Различные компоненты нефти переходят в
газообразное состояние при различной температуре. Так, температура кипения
метана –161,5°С, этана –88°С, бутана 0,5°С, пентана 36,1°С. Легкие нефти
кипят при 50–100°С, тяжелые – при температуре более 100°С.
Нефть можно разделить на ее составляющие, для этого ее очищают от механических примесей или подвергают так называемой фракционной перегонке.
Фракционная перегонка - физический способ разделения смеси компонентов с различными температурами кипения.
Перегонка осуществляется в специальных установках – ректификационных колоннах, в которых повторяют цикл конденсации и испарения жидких веществ, содержащихся в нефти.
Схема промышленной установки непрерывной перегонки нефти
В ректификационную колонну поступает нефть, нагретая в трубчатой печи до температуры 320-350 °С. Ректификационная колонна имеет горизонтальные перегородки с отверстиями - так называемые тарелки, на которых происходит конденсация фракции нефти.
В процессе ректификации нефти разделяется на следующие фракции:
- Ректификационные газы – смесь низкомолекулярных углеводородов(пропан, бутан)
- Газолиновая фракция (бензин) углеводороды от C 5 H 12 – С 11 H 24
- Лигроиновая фракция – углеводороды от C 8 H 18 – C 14 H 30
- Керосиновая фракция – углеводороды от C 12 H 26 – C 18 H 38
- Дизельное топливо – углеводороды от C 13 H 28 – C 19 H 36
Остаток перегонки
нефти – мазут
–
содержит углеводороды с числом атомов
углерода от 18 до 50. Перегонкой при пониженном
давлении из мазут получают соляровое
масло (C 18 H 28
- C 25 H 52), смазочные масла(C 28 H 58
– C 38 H 78), вазелин и парафин
– легкоплавкие смеси твердых углеводородов.
Твердый остаток перегонки мазута –
гудрон
и продукты его переработки –
битум
и асфальт
используют для
изготовления дорожных покрытий.
Химические свойства
Нефти состоят главным образом из углерода – 79,5 – 87,5 % и водорода –
11,0 – 14,5 % от массы нефти. Кроме них в нефтях присутствуют еще три
элемента – сера, кислород и азот. Их общее количество обычно составляет 0,5
– 8 %. В незначительных концентрациях в нефтях встречаются элементы:
ванадий, никель, железо, алюминий, медь, магний, барий, стронций, марганец,
хром, кобальт, молибден, бор, мышьяк, калий и др. Их общее содержание не
превышает 0,02 – 0,03 % от массы нефти. Указанные элементы образуют
органические и неорганические соединения, из которых состоят нефти.
Кислород и азот находятся в нефтях только в связанном состоянии. Сера может
встречаться в свободном состоянии или входить в состав сероводорода.
В результате полученные ректификации нефти продукты подвергаются химической переработке, включающий ряд сложных процессов. Один из них – крекинг нефтепродуктов.
Крекинг – термическое разложение нефтепродуктов, приводящее к образованию углеводородов с меньшим числом атомов углерода в молекуле.
Существуют несколько видов крекинга: термический, каталитический крекинг, крекинг высокого давления, восстановительный крекинг.
Термический
крекинг
– расщепление молекул углеводородов
с длинной углеродной цепью на более короткие
под действием высокой температуры(470-550°С).
Алканы распадаются за счет разрыва связей
С–С (более прочные связи С–Н при такой
температуре сохраняются) и образуются
алканы и алкены с меньшим числом углеродных
атомов.
Например:
C 6 H 14 C 2 H 6 + C 4 H 8
В общем виде это процесс можно выразить схемой:
C n H 2n+2 C n-k H 2(n-k)+2 + C k H 2k
При обычном термическом крекинге образуется много низкомолекулярных газообразных углеводородов, которые используют как сырье для получения спиртов, карбоновых кислот, высокомолекулярных соединений (полиэтилен).
Каталитический крекинг происходит в присутствии катализаторов, в качестве которых используют природные алюмосиликаты состава n Al 2 O 3 * m SiO 2 при температуре 500°С. Осуществление крекинга с применением катализаторов приводит к образованию углеводородов, имеющих разветвленную или замкнутую цепь атомов углерода в молекуле.
Крекинг нефтепродуктов протекает при высоких температурах, поэтому часто образуется нагар (сажа), загрязняющий поверхность катализатора, что резко снижает его активность. Очистка от нагара – его регенерация – основное условие практического осуществления каталитического крекинга. Наиболее простым способ регенерации катализатора является его обжиг, при котором происходит окисление нагара кислородом воздуха.
Каталитический крекинг – гетерогенный процесс, в котором участвуют твердое (катализатор) и газообразные (пары углеводородов) вещества. Гетерогенные реакции (газ – твердое вещество) протекают быстрее при увеличении площади поверхности твердого вещества. Поэтому катализатор измельчают, а его регенерацию и крекинг углеводородов ведут в «кипящем слое», знакомом вам по производству серной кислоты.
Сырье для крекинга, например газойль, поступает в реактор(схема). Нижняя часть реактора имеет меньший диаметр, поэтому скорость потока паров сырья весьма высока. Движущийся с большой скоростью газ захватывает частицы катализатора и уносит их в верхнюю часть реактора, где из-за увеличения его диаметра скорость потока понижается. Под действием силы тяжести частицы катализатора падают в нижнюю, более узкую часть реактора, откуда вновь выносятся вверх. Таким образом, каждая крупинка катализатора находится в постоянном движении и со всех сторон омывается газообразным реагентом.
Схема установки каталитического крекинга в кипящем слое
Некоторые зерна катализатора попадают во внешнюю, более широкую часть реактора и, встречая сопротивления потока газа, опускаются в нижнюю часть, где подхватываются потоком газа и уносятся в регенератор. Использование катализаторов крекинга позволяет несколько увеличить скорость реакции, уменьшить ее температуру, повысить качество продуктов крекинга.
Полученные углеводороды
бензиновой фракции в основном имеют
линейное строение, приводит к невысокой
детонационной устойчивости
полученного
бензина.
Получение
Месторождение нефти содержит, большие скопления попутного нефтяного газа, который собирается над нефтью в земной коре и частично растворяется в ней под давлением вышележащих пород. Попутный нефтяной газ, как и нефть, является ценным природным источником углеводородов. По составу попутный нефтяной газ значительно беднее нефти. Попутный нефтяной газ по сравнению с природным более богат по составу различными углеводородами. Разделяя их на фракции, получают:
- Газовый бензин (пентан и гексан);
- Пропан - бутановую смесь (пропан и бутан);
- Сухой газ (метан и этан).
Применение
Газовый бензин используют в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и так же добавкой к моторному топливу, для облегчения запуска двигателей в зимних условиях. Пропан - бутановую смесь применяют как бытовое топливо и для заполнения зажигалок. Сухой газ широко используют в качестве топлива. Нефтяной газ используется в качестве сырья для химических производств. Из алканов в ходящий в состав попутного нефтяного газа, получают водород, ацетилен, непредельные и ароматические углеводороды и их производные. Газообразные углеводороды могут образовывать самостоятельные скопления – месторождение природного газа.
Природный газ
Природный газ – смесь газообразных предельных углеводородов с не большой молекулярной массой. Основным компонентом газа является метан, доля которого в зависимости от месторождения составляет от 75 до 99% по объему. Так же в природный газ входят этан, пропан, бутан, изобутан, азот и углекислый газ.
Получение
Месторождения природного газа находятся в пористых горных породах, образовавшихся в результате тектонических сдвигов. Слои, покрывающие эти породы, не пропускают газ. Состав природного газа существенно отличается от одного месторождения к другому. Поэтому перед использованием природный газ должен проходить обработку, позволяющую удалить ненужные компоненты, например, сернистокислую соль, воду и т.д. Обработка, как правило, осуществляется на месте добычи. При этом особую сложность представляет удаление серных соединений, поскольку при их сжигании выделяется токсичный сернистый газ (SO 2).
Применение
Природный газ используется как топливо, и в качестве сырья для получения разнообразных органических и неорганических веществ. Из метана получают водород, ацетилена и метилового спирта, формальдегид и муравьиную кислоту. В качестве топлива природный газ используют на электростанциях, в котельных системах водяного отопления жилых домов и промышленных зданий, в доменном и мартеновском производствах. Ценность природного газа как горючего состоит еще и в том, что это экологически чистое минеральное топливо. При его сгорании образуется гораздо меньше вредных веществ по сравнению с другими видами топлива. Поэтому природный газ является одним из главных источников энергии в человеческой деятельности.
В химической промышленности природный газ используется как сырьё для получения различных органических веществ, например, пластмасс, каучука, спирта, органических кислот. Именно использование природного газа помогло синтезировать многие химические вещества, не существующие в природе, например, полиэтилен.
Каменный уголь
Каменный уголь - осадочная порода, представляющая собой продукт глубокого разложения остатков растений (древовидных папоротников, хвощей и плаунов, а также первых голосеменных растений). Каменный уголь состоит из органических и неорганических веществ, например, как вода, аммиак, сероводород и углерод - уголь.
Коксование – способ переработки каменного угля, прокаливание без доступа воздуха. При температуре около 1000°С, в результате коксования образуются:
Краткое описание
Нефть – это маслянистая горючая жидкость, обладающая специфическим
запахом, обычно коричневого цвета с зеленоватым или другим оттенком,
иногда почти черная, очень редко бесцветная.
Бюджетное профессиональное образовательное учреждение
Воронежской области
Россошанский медицинский колледж
Тема: «Нефть, природный и попутный нефтяной газ и каменный уголь»
Выполнила студентка 101 группы
Ковальской Виктории
Проверила преподаватель: Гринёва Н. А.
г. Россошь 2015
Введение
Нефть, природный и попутные газы, каменный уголь.
Основными источниками углеводородов являются природный и попутные нефтяные газы, нефть и каменный уголь.
крекинг нефть газ уголь
Нефть - жидкое горючее ископаемое темно-бурого цвета с плотностью 0,70 - 1,04 г/см³. Нефть представляет собой сложную смесь веществ - преимущественно жидких углеводородов. По составу нефти бывают парафиновыми, нафтеновыми и ароматическими. Однако наиболее часто встречается нефть смешанного типа. Кроме углеводородов, в состав нефти входят примеси органических кислородных и сернистых соединений, а также вода <#"justify">Природный и попутный нефтяной газы
Природный газ. В состав природного газа входит в основном метан (около 93%). Кроме метана <#"justify">Каменный уголь
Каменный уголь. Переработка каменного угля идет по трем основным направлениям: коксование, гидрирование и неполное сгорание. Коксование происходит в коксовых печах при температуре 1000-1200 °С. При этой температуре без доступа кислорода каменный уголь подвергается сложнейшим химическим превращениям, в результате которых образуется кокс и летучие продукты. Остывший кокс отправляют на металлургические заводы. При охлаждении летучих продуктов (коксовый газ) конденсируются каменноугольная смола и аммиачная вода <#"justify">+ (2n+1)H2 → CnH2n+2 + nH2O;
nCO + 2nH2 → CnH2n + nH2O.
Если сухую перегонку угля проводить при 500-550 °С, то получают деготь, который наряду с битумом используется в строительном деле как связующий материал при изготовлении кровельных, гидроизоляционных покрытий (рубероид, толь и др.).
Природная нефть всегда содержит воду, минеральные соли и разного рода механические примеси. Поэтому, прежде чем поступить на переработку, природная нефть подвергается обезвоживанию, обессоливанию и ряду других предварительных операций.
Особенности перегонки нефти:
.Способ получения нефтепродуктов путем отгонки из нефти одной фракции за другой подобно тому, как это осуществляется в лаборатории, для промышленных условий неприемлем.
.Он очень непроизводителен, требует больших затрат и не обеспечивает достаточно четкого распределения углеводородов по фракциям в соответствии с их молекулярной массой.
Всех этих недостатков лишен способ перегонки нефти на непрерывно действующих трубчатых установках: 1.Установка состоит из трубчатой печи для нагревания нефти и ректификационной колонны, где нефть разделяется на фракции (дистилляты) отдельные смеси углеводородов в соответствии с их температурами кипения - бензин, лигроин, керосин и т. д.;
2.В трубчатой печи расположен в виде змеевика длинный трубопровод;
.Печь обогревается горящим мазутом или газом;
.По трубопроводу непрерывно подается нефть, в нем она нагревается до 320-350 °C и в виде смеси жидкости и паров поступает в ректификационную колонну.
Особенности природного газа. Основная составная часть природного газа - метан. Кроме метана, в природном газе присутствуют этан, пропан, бутан. Обычно чем выше молекулярная масса углеводорода, тем меньше его содержится в природном газе. Состав природного газа различных месторождений неодинаков. Средний состав его (в процентах по объему) следующий: а) СН4 - 80-97; б) С2Н6 - 0,5-4,0; в) С3Н8 - 0,2-1,5. В качестве горючего природный газ имеет большие преимущества перед твердым и жидким топливом. Теплота сгорания его значительно выше, при сжигании он не оставляет золы. Продукты сгорания значительно более чистые в экологическом отношении. Природный газ широко используется на тепловых электростанциях, в заводских котельных установках, различных промышленных печах. Способы применения природного газа Сжигание природного газа в доменных печах позволяет сократить расход кокса, снизить содержание серы в чугуне и значительно повысить производительность печи. В настоящее время он начинает применяться в автотранспорте (в баллонах под высоким давлением), что позволяет экономить бензин, снижать износ двигателя и благодаря более полному сгоранию топлива сохранять чистоту воздушного бассейна. Природный газ - важный источник сырья для химической промышленности, и роль его в этом отношении будет возрастать. Из метана получают водород, ацетилен, сажу. Особенности попутного нефтяного газа: .попутный нефтяной газ по своему происхождению тоже является природным газом;
.особое название он получил потому, что находится в залежах вместе с нефтью - он растворен в ней и находится над нефтью, образуя газовую «шапку»; 3) при извлечении нефти на поверхность он вследствие резкого падения давления отделяется от нее.
Способы применения попутного нефтяного газа. Прежде попутный газ не находил применения и тут же на промысле сжигался. В настоящее время его все в большей степени улавливают, так как он, как и природный газ, представляет собой хорошее топливо и ценное химическое сырье. Возможности использования попутного газа даже значительно шире, чем природного; наряду с метаном в нем содержатся значительные количества других углеводородов: этана, пропана, бутана, пентана. Каменный уголь: Каменный уголь - один из самых ценных топливно-энергетических ресурсов человечества. Его называют иногда окаменевшим солнечным светом. В результате длительного разложения и химического преобразования гигантских масс отмерших деревьев и трав, которое происходило в так называемый каменноугольный период-210-280 млн. лет назад, в недрах накопилась подавляющая часть сегодняшних запасов этого сырья. Мировые запасы его превышают 15 триллионов тонн. Каменного угля на нашей планете извлекают много больше, чем любого другого полезного ископаемого: примерно 2,5 млрд. т в год, или около 700 кг на каждого жителя Земли. Применение каменного угля очень разнообразно и широко. Его используют для выработки электроэнергии на тепловых электростанциях, а также сжигают и для других энергетических целей; из него получают кокс для металлургического производства, а при химической переработке делают еще около 300 различных продуктов промышленности. В последнее время возрастает потребление каменного угля для новых целей - получения горного воска, пластмасс, газообразного высококалорийного топлива, высокоуглеродистых углеграфитовых композиционных материалов, редких элементов - германия и галлия. Многие века каменный уголь был и остается одним из основных видов технологического и энергетического топлива, а его значение как сырья для химической промышленности все более возрастает. Поэтому разведываются все новые месторождения угля, строятся карьеры и шахты для его добычи.
Список литературы
1.Алёна Игоревна Титаренко. Шпаргалка по органической химии