2564

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический

университет»

В.В. Портнов А.М. Наумов

ГАЗОСНАБЖЕНИЕ

Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2017

УДК 621.1.016

Портнов В.В. Газоснабжение: учеб. пособие / В.В. Портнов, А.М. Наумов. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017. 119 с.

В учебном пособии рассмотрены основные типы смесительных теплообменных аппаратов, процессы, протекающие при непосредственном контакте жидкости и газа, методы расчета теплообмена и проектирования аппаратов.

Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки бакалавров 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (направленность «Промышленная теплоэнергетика»), дисциплине «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий».

Ил. 18. Библиогр.: 7 назв.

Рецензенты: кафедра физики, теплотехники и промышленной энергетики Воронежского государственного

университета инженерных технологий (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. А.В. Буданов); д-р техн. наук, проф. Н.В. Мозговой

Портнов В.В., Наумов А.М., 2017

Оформление. ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2017

ВВЕДЕНИЕ

Природный газ играет все более важную роль в мировом энергетическом балансе. Этому способствуют чрезвычайно благоприятные для потребителя свойства газа, а именно, экологичность, экономичность и технологичность.

Самым значительным преимуществом природного газа является его экологичность. По сравнению с другими энергоносителями массового использования (углем, мазутом) природный газ при его сжигании на электростанциях или в горелках наших квартир дает гораздо меньше вредных выбросов. Многие страны мира постепенно переходят на природный газ как топливо для ТЭЦ, особенно тех, которые расположены в городских районах. Природный газ в сжиженном виде используется как автомобильное топливо вместо автобензина. Более того, в ряде стран приняты национальные программы по организации использования сжиженного природного газа в качестве автомобильного топлива, особенно для муниципальных видов транспорта (автобусов, грузовых автомобилей, привозящих продукты, стройматериалы в городские кварталы, пожарных, почтовых и др. машин). При использовании природного газа в качестве энергоносителя в промышленных процессах (металлургия, химия, производство строительных материалов и т.п.) производство становится более приемлемым и с экологической и с экономической точки зрения по сравнению

сдругими энергоносителями.

Вусловиях резкого ужесточения экологических требований, а также в условиях выполнения требований и обязательств по Киотскому протоколу, экологические преимущества природного газа проявляются особенно наглядно, учитывая тот факт, что при производстве электроэнергии из природного газа образуется углекислого газа на 60% меньше, чем при использовании угля.

3

Природный газ обладает экономическими преимуществами по сравнению с другими энергоносителями. Вопервых, благодаря наличию значительных запасов и относительной дешевизне его добычи и транспортировки. Во-вторых, переработка природного газа в химические продукты требует меньших затрат по сравнению с использованием нефтяного сырья, не говоря уже об угле.

Природный газ при использовании более технологичен, чем другие энергоносители. Аппаратура, применяемая при сжигании и переработке природного газа, как правило, менее громоздкая и металлоемкая, но более долговечная по сравнению с аналогичной аппаратурой, работающей на мазуте или угле.

Все указанные факторы привели к тому, что доля природного газа в мировом энергобалансе постепенно растет. В целом по миру доля природного газа в структуре потребления энергоносителей составляет около 24 %, однако в соответствии с долгосрочными прогнозами может возрасти в течение нескольких ближайших десятилетий до 28-30 %. При этом доля природного газа в структуре энергобаланса развитых стран примерно такая же, как и в среднем по миру - порядка 22-23 %.

В структуре энергобаланса республик бывшего СССР и стран Восточной Европы доля природного газа чрезвычайно велика - она превысила уровень в 50 %. В первую очередь это связано с наличием громадных ресурсов и развитием газовой промышленности в бывшем СССР, откуда природный газ экспортировался в Европу и, прежде всего, в страны Восточной Европы. Во внутреннем потреблении для нужд энергетики и коммунально-бытового сектора в силу указанных выше причин (экологичность, технологичность, дешевизна) газ вытеснял другие энергоносители.

По прогнозам в период 2002-2030 гг. среднегодовые темпы прироста спроса на природный газ составят 2,3 % против 1,7 % по всем энергоресурсам в целом, в т.ч. по сравнению

4

с темпами роста спроса на нефть 1,6 %, на уголь - 1,5 %, на ядерное топливо - 0,4 %.

По некоторым оценкам доля природного газа в мировом топливно-энергетическом балансе с 23,7 % в 2004 г. может возрасти до 25 %, а в развитых странах - до 32 % к 2030 г.

Увеличение роли газа в мировом энергобалансе, обусловленное его экологическими, экономическими и технологическими преимуществами, связано с несколькими обстоятельствами.

Во-первых, это рост электроэнергетики, базирующейся на природном газе. Если в 2003 г. доля природного газа как энергоносителя в производстве электроэнергии составляла в мире 36 % от общего потребления газа, то по прогнозам в 2030 г. она составит 47 %. Главной причиной грядущей научнотехнической революции в электроэнергетике станут новые технологические схемы электрогенерирующих процессов, которые позволят поднять КПД электростанций с 43-44 % в настоящее время до 62 % в 2030 г.

Во-вторых, существенно возрастет потребление газа в развивающихся странах, прежде всего, в странах с огромным населением (Китае, Индии) и ряде других стран, где среднегодовые темпы прироста спроса на газ составят более 5 %.

В-третьих, в перспективе получит широкое развитие производство синтетических топлив из природного газа по технологии GTL (gas to liquids, газ в жидкость).

В-четвертых, гораздо более широкое развитие получит газохимия - отрасль промышленности, которая представляет собой совокупность крупномасштабных процессов переработки природного, попутного и технологических газов.

Благоприятные технико-экономические, экологические и технологические преимущества природного газа привели к быстрому росту его производства и применения в мире. За последнее десятилетие мировое производство и потребление природного газа росло со среднегодовым темпом в

5

1,8 %, а по различным прогнозам экспертов в последующие два десятилетия XXI века будут расти с темпом 1,9—2,5 % в год.

В предлагаемом учебном пособии рассматриваются история и основные способы современной газодобычи в мире, виды искусственных и природных газов, их характеристики, способы обработки, передачи и использования, организация газового хозяйства в современном городе и на промышленном предприятии.

Материал учебного пособия соответствует программе подготовки дипломированных специалистов по направлению 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» профиль «Промышленная теплоэнергетика». Оно ориентировано главным образом на изучение студентами дисциплины «Технологические энергоносители предприятий» раздел «Газоснабжение». Пособие может быть использовано при выполнении курсового проекта и в процессе работы над выпускной квалификационной работой.

6

1. ИСТОРИЯ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

Первые свидетельства использования горючих газов человеком говорят о том, что вначале человечество познакомилось с газами искусственными.

Археологические раскопки свидетельствуют о том, что ещё пещерные люди (неандертальцы) знали древесный уголь - твёрдый продукт неполной газификации древесины. Более 100 тысяч лет назад вымершие предки современного человека собирали на пожарищах или делали специально, засыпая золой тлеющие головни, и, укрываясь в пещерах от непогоды, использовали затем как высококалорийное и практически бездымное топливо, не вызывающее угара. Таким образом, технология газификации древесины является, по сути, первой в истории человечества химической технологией, а древесный уголь - соответственно первым продуктом, получаемым с помощью этой технологии.

Примерно тогда же неандертальцы научились при помощи сухой перегонки (пиролиза) превращать берёзовую кору в дёготь, ставший первым клеящим веществом в истории человечества.

2500-3000 лет до нашей эры. В Месопотамии и Египте жидкое природное топливо - нефть, будущий объект газификации, уже использовали как связующее и водонепроницаемое вещество при сооружении дамб, причалов, дорог, зданий из кирпича и камня. Нефтяным битумом покрывали стены зернохранилищ и водохранилищ. Нефть добавлялась в состав для бальзамирования в Древнем Египте.

Нефть также заливали в светильники и применяли в качестве лекарства при кожных болезнях у людей и домашних животных (в частности, для лечения чесотки у верблюдов).

Древние ремесленники-углежоги также использовали похожие на газификацию технологии, сжигая и коксуя твёрдые топлива при недостатке кислорода.

7

Около 1000 лет до н.э. Древнегерманские племена, обитавшие на заболоченных территориях бассейна Эльбы, положили начало истории использования природного (болотного) газа, придумав примитивный газопровод. Они сооружали специальные кожаные трубы и таким нехитрым способом проводили газ к своим жилищам для обогрева, а также готовили на газе еду.

VI-IV века до н.э. Природное газообразное топливо научились использовать в целях отопления и освещения древние китайцы. К месту сжигания газ доставлялся по бамбуковым трубам. Древние жители Кавказа и Карпат также пользовались природным газом для приготовления пищи и обогрева жилищ.

V век до н.э. Древнегреческий историк, «отец истории» Геродот писал о «вечных огнях» на горе Химера, расположенной в Малой Азии. Источники природных горючих газов были известны также в Азербайджане, Иране, Ираке и Индии. Обилие горящих факелов привело к возникновению в этих местах религии т.н. «огнепоклонников» - приверженцев учения зороастризма (маздеизма) и последователей пророка Заратустры (Зороастра).

Академик Ю.И. Боксерман в работе «Газовая промыш-

ленность России» датирует начало использования природного газа в Евразии в ритуальных целях приблизительно I веком н.э., когда на Апшеронском полуострове, на месте естественного выхода газа на поверхность был построен храм огнепоклонников. Старинный храм огнепоклонников в Сураханах (Апшеронский полуостров, Азербайджан) сохранился до наших дней в качестве музея (а до 1870-х годов там проходили и «богослужения»). Имеются свидетельства, что в Китае и Месопотамии также существовали подобные храмы, горючий газ к которым подавался по тростниковым трубам и зажигался только при исполнении религиозных обрядов. Выходы горю-

8

чих газов из земли имели место и на территории Европы - в местечке Питера Мала (Италия), в Ланкашире (Англия) и др.

I тысячелетие до н.э. Зафиксированы первые примеры «народно-хозяйственного» использования газообразного топлива: когда в китайской провинции Сычуань при бурении скважин для добычи соли было открыто газовое месторождение Цзылюцзынь, местные жители научились использовать этот газ для выпаривания соли из рассола.

А вот коренные жители Америки оказались более практичными. Они придумали вынимать сердцевину в древесных чурках и ограничивать доступ воздуха с одного из торцов. В результате происходила газификация древесины, а выделяющийся при этом горючий газ свободно горел с другого торца и использовался американскими индейцами для освещения и обогрева жилищ, а также для приготовления пищи. Считается, что в Европу, а затем и в другие части света, этот древний газогенератор, получивший название «индейская свеча», был привезён из Америки Христофором Колумбом. В настоящее время «индейская свеча», известная также как «деревянный примус», до сих пор используется для приготовления пищи в походных условиях.

Около 1200 лет до н.э., Парфюмер и химик Таппути, занималась, в частности, перегонкой растительных масел. Этот факт дистилляции (а по сути - газификации с последующим охлаждением и конденсацией паров) жидких веществ зафиксирован на клинописных дощечках, найденных в Месопотамии.

I (по другим данным во II и даже в III) веке н.э. Опыты по газификации (в то время использовались термины «сублимация» и «возгонка») провела Мария Профетисса (известная также, как Мария-еврейка, Мария коптская и Мария Хебреа).

Эта женщина была основательницей александрийской алхимической школы. Она изобрела ряд химических аппаратов, используемых и в наше время, а также описала ряд

9

фундаментальных (как для алхимии, так и, в дальнейшем, для химии) процессов, в т.ч. и процесс сублимации (переход вещества из твёрдого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое).

В состав легендарного секретного оружия Византийской империи - «греческого огня» - изобретённого в 673 (по другим данным - в 330) году от Рождества Христова сирийским учёным-химиком и инженером-механиком Каллиником, входили, по мнению ряда исследователей, продукты газификации (перегонки) конденсированных топлив (нефти, различных горючих смол и масел, угля, серы и т.п.).

717 г. Этим огнём был сожжён огромный мусульманский флот, состоящий из 1800 кораблей.

907 год. В летописи Нестора «греческий огонь» упоминается при описании похода а киевского князя Олега на Царьград (Константинополь), когда флот наших предков был практически полностью уничтожен под стенами столицы Византийской империи.

941 г. При помощи этого оружия была одержана победа над флотом другого русского князя Игоря, который также подошёл непосредственно к крепостным стенам Константинополя.

IX век. Газификацией жидких веществ с целью получения парфюмерных продуктов и лекарств занимался арабский философ, математик и химик Аль-Кинди (в Европе был известен под именем Alkindus). Он также обосновал технологию получения чистого спирта перегонкой вина и создал перегонный куб «алембик».

К XII веку относятся первые письменные свидетельства продажи-покупки дёгтя (жидкого продукта пиролиза древесины, прежде всего, берёзы).

XV-XVII века. В Европе наблюдается резкий рост населения, повлекший за собой быстрое истощение традиционного энергоносителя - древесины. Предприятия горной промыш-

10