3.3 Классификации природных газов
Первую классификацию природных газов составил В.И. Вернадский, в 1912 году. В этой классификации газы были разделены на три группы: 1) по форме или условиям нахождения в природе; 2) по источникам происхождения или генезису; 3) по химическому составу.
На основании учета этих факторов позже был создан целый ряд классификационных схем природных газов. Кроме них существуют классификации газов по их практической ценности и содержанию полезных компонентов.
Классификации природных газов по условиям (формам) нахождения в природе. В наиболее общем виде выделяются следующие три формы существования природных газов:
- свободные газы атмосферы;
- водорастворенные газы гидросферы (океанов, морей, озер, прудов и рек);
- газы земной коры.
Газы этих форм постоянно взаимодействуют, то есть переходят из одних условий существования в другие.
Наиболее разнообразны условия нахождения газов в земной коре, где они находятся в двух основных формах: рассеянной и концентрированной (табл. 4).
Рассеянные формы газов содержатся в открытых и закрытых порах горных пород, сорбированы минеральной частью пород и рассеянным ОВ, растворены в пластовых водах и микронефти.
Концентрированные формы газов являются объектами поисково-разведочных работ и разработки. Находятся они в газовых скоплениях, растворены в залежах нефти и в пластовых водах.
Таблица 4. Формы нахождения природных газов в земной коре (В.В. Доценко; 2007)
Растворенные в пластовых водах
Залежи свободных газов; например, Уренгойское газовое месторождение содержит 10 трлн. м 3 газа
Растворенные в микронефти (протонефти)
Растворенные в залежах нефти; например, нефтяные месторождения Большой Бурган и Гавар содержат по 1 трлн. м 3 газа, растворенного в нефти
Содержащиеся в открытых и закрытых порах горных пород в свободном состоянии
Водорастворенные газы пластовых вод, при их высоком газосодержании, порядка 5-10 м 3 на 1 м 3 или на 1 т. воды
Сорбированные минеральной частью горных пород
Сорбированные торфами, углями и горючими сланцами
Сорбированные рассеянным органическим веществом осадочных пород
Поглощенные (окклюдированные) микроскопическими
Газовые струи (проявления) из магматических очагов, грязевых вулканов, разрушающихся газовых залежей
Например, Уренгойское газовое месторождение содержит 10 трлн. м 3 свободного газа, нефтяные месторождения Большой Бурган и Гавар содержат более 10 млрд. т извлекаемых запасов нефти каждое. В нефтях этих месторождений растворено по 1 трлн. м 3 газов. Огромные объёмы газа существуют в виде залежей твёрдых газовых гидратов на дне Мирового океана.
Генетические классификации природных газов. Газы образуют различные смеси, в которых определить генезис отдельных компонентов не всегда возможно. Существует много генетических классификаций газов, в которых выделяется различное количество генетических классов и типов газов. В таблице 5 дано сопоставление наиболее известных схем генетических классификаций, которые показаны в ней в несколько упрощённом виде. Наиболее краткой из них является классификация газов В.И. Ермакова и др. (1990), в которой все природные газы разделены на три большие группы: биогенную, литогенную и органолитогенную.
Таблица 5. Сопоставление схем генетических классификаций природных газов разных авторов
1. Космического происхождения: все инертные газы
2. Природных химических реакций
(обменного разложения): СО2, H2S и др.
2. Воздушного происхождения: N2, O2, инертные газы
3. Магматические (газы подкоровых глубин):
вероятно, те же, что и газы метаморфического происхождения
4. Радиоактивного происхождения: Не, эманации радия (Rа), тория (Тh), Ar, Хе
6. Ядерных реакций: все элементарные газы
А. Газы, формирующиеся в земной коре:
2. Литологические: СО2, газы вулканических извержений H2S
1. Хемогенные газы: СО2, H2S и др.
2. Радиогенные газы: Не, Аr и др.
3. Биогенные газы: О2, Н2, H2S и многие др.
4. Техногенные газы: СО2 и др.
М.И Суббота и А.В. Романюк
ÌV. Газы радиоактивного распада и радиохимического генезиса: Не, Ar, Rn, Н2, О2
V. Газы, образующиеся под воздействием космических лучей: Н, Не, Н2, О2, N2, О3
В. И. Ермакова и др. (1990)
1. Биогенные газы образуются в результате жизнедеятельности различных организмов, а также разложения и преобразования органических и минеральных веществ в биосфере.
2 .Органолитогенные газы образуются при термической деструкции (углефикации) ОВ в зоне катагенеза и метагенеза, вплоть до исчерпания его продуктивности и превращения в графит.
3. Литогенные газы образуются в результате физико-химических и радиоактивные процессов в минеральном скелете водонасыщенных осадочных пород в зоне катагенеза, метагенеза и метаморфизма, а также в магматических породах земной коры и мантии.
Классификации природных газов по химическому составу. По химическому составу классифицируются газы конкретных форм или условий нахождения в природе. Существует большое количество различных химических классификаций. Отличаются они широтой охвата форм газов и соответственно количеством выделенных классов газов по химическим компонентам и их количественным содержанием. Широко известна комплексная классификация природных газов, составленная в 1966 году В.А. Соколовым. В ней, по условиям нахождения газов в природе, выделено восемь типов, указан их химический состав и происхождение (табл. 6).
Среди газов литосферы классифицируются свободные газы газовых и газоконденсатных месторождений и газы, растворенные в нефти; газы, растворенные в подземных водах; газы угольных месторождений (угленосных бассейнов); газы залежей газовых гидратов; газы метаморфических, магматических пород и рудных месторождений; газы грязевых вулканов; вулканические газы.
Газы газовых, газоконденсатных и нефтяных месторождений образуют разнообразные смеси, состоящие из углеводородных и неуглеводородных компонентов. По преобладающим компонентам можно выделить 13 типов газов: углеводородные, азотные, углекислые, сероводородные и другие типы, которые представлены различными сочетаниями вышеназванных газов, например азотно-углеводородные, углекисло-азотно-углеводородные, углеводородно-углекислые и так далее.
Иногда углеводородные газы разделяют на классы в зависимости от количественного содержания отдельных компонентов: углекислого газа, сероводорода, азота, гелия и других газов.
Таблица 6. Классификация природных газов по условиям нахождения, химическому составу и генезису (по В.А. Соколову, 1966)
Источник
2 Классификация горючих газов
Все горючие газы делятся на две группы: природные и искусственные.
Природные газы добывают из недр земли. Искусственные газы получают на специальных заводах или на заводах в качестве побочного продукта.
Природные газы не содержат водорода, окиси углевода и кислорода. Содержание азота и углекислого газа обычно бывает невысоким. Газы некоторых месторождений содержат в небольших количествах сероводород.
Природные газы можно разделить на три группы .
1 Газы, добываемые из чисто газовых месторождений. Они на 90-98% состоят из метана, а также содержат не более 50 г на 1 м 3 тяжелых углеводородов. Их называют сухими тощими. Низшая теплота сгорания — 31-38 МДж/м 3 , относительная плотность по воздуху — 0,56 — 0,65 .
2 Газы газоконденсатных месторождений, состоящие из смеси сухих газов и паров конденсата тяжелых углеводородов (бензина, лигроина, керосина). При снижении давления и выходе газов на поверхность из них выделяется от 10 до 500 см 3 конденсата на 1 м 3 добываемого газа. Газы газоконденсатных месторождений имеют самый разнообразный состав.
3 Попутные газы добываются из скважин нефтяных месторождений совместно с нефтью. Помимо метана они содержат значительное количество более тяжелых углеводородов (обычно свыше 150 г/м 3 ) и являются жирными газами. Жирные газы представляют собой смесь сухого газа, пропан — бутановой фракции и газового бензина. Теплота сгорания попутных газов составляет 38-63 МДж/м 3 .
Обычно в 1 т нефти содержится 200-400 м 3 газа. Состав попутных газов зависит от природы нефти, в которых они находятся в естественных подземных резервуарах, а также от принятой схемы отделения газа от нефти при выходе их из скважины. На газобензиновых заводах из попутных газов выделяют газовый бензин и пропан — бутановую фракцию, которою используют для газоснабжения городов в виде сжиженного газа.
Искусственные газы — это газы, вырабатываемые из твёрдого или жидкого топлива. В зависимости от способа переработки они делятся на газы сухой перегонки и генераторные газы.
При переработке нефти и нефтепродуктов получают нефтезаводские газы, состав которых обусловлен направлением технологического процесса, температурным режимом, давлением переработки, составом сырой нефти и нефтепродуктов.
Различают газы прямой перегонки нефти, крекинг — газы, газы коксования мазута и гудрона, газы гидролиза нефтепродуктов, газы процессов риформинга.
Нефтезаводские газы в первую очередь используются в химической технологии.
Сухая перегонка — это процесс термического разложения твёрдого топлива без доступа воздуха.
В зависимости от способа сухой перегонки различают:
- горючий газ полукоксования, или низкотемпературного коксования при температуре 500 — 550 0 С.
- горючий газ коксования, или высокотемпературного коксования при температуре 950 — 1100 0 С.
В результате сухой перегонки топлива получают газ, воду, смолу и твёрдый остаток.
В результате коксования твёрдого топлива получают кокс и газ.
При коксовании угля получают коксовый газ.
Средний выход коксового газа — 300 — 330 м 3 на 1 т сухой шихты или 400 — 450 м 3 на 1 т кокса. Ресурсы коксового газа в стране ранее составляли около 30 млрд м 3 , что эквивалентно 15 млрд м 3 природного газа. Средний состав коксового газа, % по объёму (динасовые печи):
H2= 57, CH4 = 25, CmHn= 2.5, CO= 6.5, CO3 = 2 , O2 = 0.3, N2= 5.7 . Плотность газа — 0,47 кг/м 3 , низшая теплота сгорания — 17700 кДж /м 3 .
Коксовый газ является весьма ценным видом топлива. Высокая жаропроизводительность позволяет его использовать для отопления мартеновских и прокатных печей. Недостаток: токсичность.
Из сланца получают сланцевый газ. Сланцы — представляют собой глинистые минеральные или мергеливые породы, пропитанные органическими веществами. Они содержат в себе 60% золы , 10% влаги и 30% органических веществ. Это — низкосортное топливо.
Перегонка сланца производиться в камерных вертикальных вращающихся печах. Из 1 т сланца получают 400 м 3 газа с низшей теплотой сгорания 14700 кДж/м 3 . Газ токсичен. Товарный сланцевый газ представляет собой смесь камерного и генераторного газов, очищенных от сероводорода, газового бензина и влаги. Состав товарного газа, в % по объёму:
Генераторные газы вырабатываются в специальных аппаратах — газогенераторах. Процесс газификации топлива осуществляют путём продувания газообразной смесью слоя раскалённого топлива.
Генераторные газы в зависимости от характера дутья, применяемого при их получении, делятся на:
воздушные — воздушное дутье; водяные — паровое дутье; смешанные — воздушное и паровое дутье; парокислородное — паровое и кислородное дутье.
Воздушный газ: состав CO = 34,7% , N2 = 65,3% . Низшая теплота сгорания — 4400 кДж/м 3 .
Реальный газ содержит также и CO2.
Водяной газ: состоит CO и H2. Низшая теплота сгорания — 10500 — 11300 кДж/м 3 .
Смешанный газ — имеет примерный состав, в % по объему:
H2 = 14; CH4 = 1; CO = 28; CO2=6; O2= 0,2; CmHn= 0,2; N2= 50,6. Низшая теплота сгорания — 5500 кДж/м 3 ; плотность топлива — 1,15 кг.
Парокислородный газ — применение кислорода вместо воздуха при дутье позволяет получить газ достаточно высокой теплоты сгорания — 8400 — 10000 кДж/м 3 .
Недостатком генераторных газов является их высокая стоимость и токсичность.
Уголь можно газифицировать под землёй. В этом случае получается газ подземной газификации. Низшая теплота сгорания газа подземной газификации не превышает 4500 кДж/м 3 . Идея подземной газификации была выдвинута Д. И. Менделеевым. Проблема газификации топлива имеет большое значение в связи с тем, что ресурсы газообразного топлива в десятки раз меньше запасов ископаемых углей.
На доменных печах в процессе выплавки чугуна получают доменный газ. При выплавке 1т. чугуна выделяется 2000 — 2500 м 3 доменного газа. Состав газа:
СО = 29,1; H2 = 1,7; CH4= 0,3; CO2= 13,2 . Низшая теплота сгорания — 4000 кДж/м 3 .
При выплавке чугуна в стране ранее получалось 200 млрд м 3 доменного газа, что эквивалентно 25 млрд м 3 природного газа.
Доменный газ используется для обогрева коксовых печей, в смеси с коксовым — для прокатных станов. Транспортировка на большие расстояния нецелесообразна. Такое топливо называется местным топливом. Доменный газ — токсичен.
Основной недостаток искусственных газов по сравнению с природным газом — сильная токсичность .
Источник