تحقیق تولید گاز متان از صیفی جات ، سبزیجات موجود در زمین های کشاورزی و کاهش پسماند در محیط زیست

1-2-1انواع گاز طبیعی

گاز طبیعی كه بیشتر از گاز متان (CH4)تشكیل میشود مانند هر ماده دیگر دارای ده ها خصوصیت فیزیكی و شیمیائی است .سایراجزاء تشكیل دهنده گاز طبیعی ، شامل گازهای اتان ، پروپان، بوتان و هیدروكربونهای سنگین تر میباشند. در این میان گاز اتان برخی از میدانهادر صد قابل ملاحظه ای ( تا حدود 10%یا كمی بالاتر)را تشكیل میدهد. حال آنكه گاز های سنگین تر اجزای بسیار كوچكی را در تركیب گاز طبیعی شامل میشوند همچنین عناصری از قبیل H2S،CO2،N2 نیز همراه گاز طبیعی یافت میشوند و بالاخره آب كه همیشه با گاز طبیعی استخراج شده از مخازن همراه است.

گاز چنانچه در نفت خام حل شده باشد گاز محلول (SOLUTION GAS ) نام دارد و اگر در تماس مستقیم با نفت از گاز اشباع شده باشد گاز همراه (ASSOCIATED GAS) نامیده می- شود. گاز غیر همراه ( NON-ASSOCIATED GAS)از ذخایری كه فقط قادر به تولید گاز به صورت تجاری باشد استخراج می شود در بعضی موارد گاز غیر همراه حاوی بنزین طبیعی و یا چكیده نفتی ( CONDENSATE) استخراج می شود كه حجم قابل توجهی از گاز را از هر بشكه هیدروكربور بسیار سبك آزاد می كند. در پالایشگاه و واحدهای نم زدائی ، تركیبهای مزاحم كه سبب پائین آوردن ارزش حرارتی گاز شده و مشكلاتی در انتقال و مصرف گاز بوجود میآورند، از گاز طبیعی تفكیك و سپس به خطوط انتقال تحویل میشود. در حال حاضر بیش از 50 نیروگاه گازی در كشور وجود دارد وتعدادی از میادین گازی كشور عبارتند:خانگیران ،كنگان، دهلران،پارس جنوبی،قم،بیدبلند و . . . .         مهمترین كاربردهای گاز طبیعی عبارتند از:

1-سوخت كارخانجات،منازل ونیروگاهها كه از خاصیت ارزش حرارتی گاز طبیعی استفاده میكنند.

2-سوخت خودروها ودر زمینه حمل ونقل.

3-تولید گاز سنتز (منوكسیدكربن، هیدروژن) كه در صنایع پتروشیمی و همچنین فرایند

GTL-FTSبسیار كاربرد دارد.

4-احیای سنگ آهن كه در صنایع فولاد سازی كاربرد دارد.

خواص فیزیكی گاز طبیعی بدین قرار است: بی رنگ و بی بو است در شرایط عادی در دمای°180-سانتی گراد به مایع تبدیل میشودكه چگالی آن بین 0.4تا 0.8 میباشد ولی به طور میانگین0.66میباشد، بنابراین گاز طبیعی از هوا سبكتر بوده و در صورت نشت از خطوط لوله و یا سایر اجزاء شبكه گاز و یا لوله كشی وسائل گاز سوز در منازل بسمت بالا حركت میكند و چون غلظتهای پائین گاز در هوا خطرناكتر است قابلیت انفجار در اطراف محل نشت نیز وجود دارد . هر متر مكعب گاز طبیعی بصورت متوسط ده هزار كیلو كالری ارزش حرارتی دارد ، امّا این مقدار اسمی است و ارزش حرارتی دقیق گاز طبیعی هر میدان گازی ، تابع تركیبات آن بوده و بطور كلی هر چه درصد متان در گاز طبیعی بیشتر باشد ارزش حرارتی آن پائین تر است .قابلیت اشتعال گاز طبیعی فقط در محدوده خاصی از نسبتهای اختلاط با هوا اتفاق می افتد كه این محدوده را محدوده «قابلیت اشتعال »مینامند مرز پائین این محدوده را اشتعالL.E .L و مقدار بالای این محدوده را ، حد بالای اشتعال L.H .L مینامند.حد پائین اشتعال گاز طبیعی 5 درصد و حد بالای آن 15 درصد میباشد . بهترین حالت برای اشتعال گاز طبیعی نسبت 10 درصد گاز با هواست كه همان نسبتی است در فرمول تركیب متان و اكسیژن (هوا) دیده میشود

CH4+2O2 ↔ CO2+2H2O+ 10000 Kcal/m3

همانطور كه واكنش فوق نشان میدهد یك حجم متان برای سوخت كامل نیاز به 2 حجم اكسیژن دارد و با توجه به اینكه یك حجم اكسیژن تا حدودی در 5 حجم هوا موجود است . بنا بر این میتوان گفت كه یك حجم متان نیاز به 10حجم هوا دارد كه تا حدودی همان نسبت یك به 10 و یا ده درصد است .البته برای سوختن كامل نیاز به 20 الی 30 درصد هوای اضافی داریم ولی در انفجارها هر چه به نسبت 10 درصد گاز در هوا نزدیك تر باشیم انرژی حاصل از انفجار بیشتر است.

گاز فرمول ملكولی چگالی نسبت به هوا چگالی مایع   حدود اشتعال درصد دمای احتراق(co)   دمای شعله(co)

%پائین   %بالا

متان Ch4  55%  25%  5   15   595  1875

اتان C2h6 04/1 4/0  3   5/12 515  1895

پروپان   C3h8 56/1 51%  2   5/9  470  1925

بوتان    C4h10    05/2 58%  9/1  4/8  365  1900

گاز ساختگی را می توان مانند گاز سنتز از گازسازی زغال سنگ و یا گازرسانی مواد نفتی بدست اورد ارزش گرمایی این گاز در مقایسه با گاز سنتز بسیار بالاتر است چون مانند گاز طبیعی بخش عمده آن را گاز متان تشكیل می دهد. گاز ساختگی را می توان با روش لورگی نیز بدست آورد ( همچنین نگاه كنید به لورگی – رهرگس فرایند)

.
ب: گاز سنتز (SYNTHESIS GAS)

گاز سنتز گازی است بی بو ، بی رنگ و سمی كه در حضور هوا و دمای 574 درجه سانتیگراد بدون شعله می سوزد. وزن مخصوص گاز سنتز بستگی به میزان درصد هیدروژن و كربن منواكسید دارد از گاز سنتز می توان به عنوان منبع هیدروژن برای تولید آمونیاك ،متانول و هیدروژن دهی در عملیات پالایش و حتی به عنوان سوخت استفاده كرد گاز سنتز از گاز طبیعی ، نفتا، مواد سنگین و زغال سنگ بدست می آید . معمولا برای تولید هر یك تن گاز سنتز كه در آن نسبت مولی H2/CO=1 باشد ، به 0/55 تن متان نیاز است . در صورتی كه این نسبت 3 باشد 0/49 تن متان لازم خواهد بود. تهیه گاز سنتز از منابع هیدروكربورها امكان پذیر است كه به شرح زیر خلاصه می شود:

1- تهیه گاز سنتز از زغال سنگ در فرایند تهیه گاز سنتز از زغال سنگ و یا گازی كردن زغال سنگ بخار آب و اكسیژن در دمای 870 درجه سانتیگراد و فشار 27 اتمسفر با زغال سنگ تركیب می شود محصول حاوی 22.9 درصد هیدروژن 46.2 درصد كربن منو اكسید ،7.8 درصد كربن دی اكسید ، 22.5 درصد آب و 0.6 درصد كربن متان و نیتروژن است پس از جداسازی گاز كربن دی اكید ، محصول برای فروش از طریق خطوط لوله عرضه می شود. در نمودار زیر فرایند تولید گاز سنتز از زغال سنگ نشان داده شده است.

2- تهیه گاز سنتز از مواد سنگین نفتی مواد سنگین نفتی با اكسیژن ( نه هوا) در دمای 1370 درجه سانتیگراد و فشار 102 اتمسفر تركیب شده و گاز سنتز تولید می كند.

3- تهیه گاز سنتز از نفتا نفتا با بخار آب در مجاورت كاتالیست نیكل در دمای 885 درجه سانتیگراد و فشار 25 اتمسفر تركیب وگاز سنتز حاصل می شود.

4- تهیه گاز سنتز از گاز طبیعی این روش كه در جهان متداول تر است در در دو مرحله كراكینگ و خالص سازی ، گاز طبیعی به گاز سنتز تبدیل می گردد.در این روش از كبالت ، مولیبدیم و اكسید روی به عنوان كاتالیست استفاده می شود. محصول نهایی حاوی 83.8 درصد هیدروژن ، 14.8 درصد كربن منواكسید 0.1 درصد كربن دی اكسید و مقداری متان نیتروژن و بخار آب است. فرایند تهیه گاز سنتز از زغال سنگ در شكل نشان داده شده است

.ج: گاز شهری (TOWN GAS)

اصطلاحا به گازی گفته می شود كه از طریق خط لوله از یك مجتمع تولید گاز به مصرف كنندگان تحویل می شود . گاز شهری یا از زغال سنگ و یا از نفتا تولید و در مناطقی مصرف می شود كه یا گاز طبیعی در دسترس نباشد و یا زغال سنگ ارزان به وفور یافت شود تركیب گاز شهری هیدروژن %50، متان%20 تا %30، كربن منواكسید %7 تا %17، كربن دی اكسید%3، نیتروژن %8، هیدروكربورها %8 علاوه بر این ناخالصی های دیگری مانند بخار آب ، امونیال ، گوگرد، اسید سیانیدریك نیز در گاز شهری وجود دارد. به گاز شهری گاز زغال سنگ و یا گاز سنتز نیز می گویند. در ایران گازی كه از طریق خط لوله به مشتركین در شهرها عرضه می گردد گاز طبیعی است و تركیب آن مشابه گاز شهری نیست.

د: گاز شیرین (SWEET GAS)

گازشیرین گازی است كه هیدروژن سولفید و كربن دی اكسید آن گرفته شده باشد.

س: گاز طبیعی (NATURAL GAS)

گاز طبیعی عمدتا از هیدروكربوها همراه با گازهایی مانند كربن دی اكسید ، نیتروژن و در بعضی از مواقع هیدروژن سولفید تشكیل شده است بخش عمده هیدروكربورها را گاز متان تشكیل می دهد و هیدروكربورهای دیگر به ترتیب عبارتند از اتان ، پروپان ، بوتان، پنتان و هیدروكربورهای سنگین تر ناخالصی های غیرهیدروكربوری نیز مانند آب ، كربن دی اكسید ، هیدروژن سولفید و نیتروژن در گاز طبیعی وجود دارد. گاز چنانچه در نفت خام حل شده باشد گاز محلول (SOLUTION GAS ) نام دارد و اگر در تماس مستقیم با نفت از گاز اشباع شده باشد گاز همراه (ASSOCIATED GAS) نامیده می شود.
گاز غیر همراه ( NON-ASSOCIATED GAS)از ذخایری كه فقط قادر به تولید گاز به صورت تجاری باشد استخراج می شود در بعضی موارد گاز غیر همراه حاوی بنزین طبیعی و یا چكیده نفتی ( CONDENSATE) استخراج می شود كه حجم قابل توجهی از گاز را از هر بشكه هیدروكربور بسیار سبك آزاد می كند.

ش: گاز طبیعی فشرده ( COMPRESSED NATURAL GAS)

گاز طبیعی عمدتا از متان تشكیل شده است و دراكثر نقاط جهان یافت می شود. (نگاه كنید به گاز طبیعی ) گاز طبیعی را می توان از طریق خط لوله و یا به صورت گاز طبیعی مایع شده (LNG) با نفتكش حمل نمود. از گاز طبیعی فشرده و یا به اختصار سی ان جی می توان در اتومبیل های احتراقی به عنوان سوخت استفاده كرد در حال حاضر حدود یك میلیون وسیله نقلیه در جهان با گاز فشرده حركت می كنند. در ایتالیا در مقیاس وسیعی از سی ان جی استفاده می شود و در زلاندنو و آمریكای شمالی نیز استفاده از گاز طبیعی فشرده رواج دارد.

تركیبات گاز طبیعی متفاوت است و بستگی به نوع میدان گازی دارد كه از ان بدست امده است ناخالصی ها شامل هیدروكربورهای سنگین ، نیتروژن ، دی اكسید، اكسیژن و هیدروژن سولفید می باشد. در اتومبیل گاز طبیعی فشرده باید در مخزن سنگین و بزرگ و در فشاری برابر 220 اتمسفر ذخیره گردد. البته از لحاظ میزان ذخیره و ارزش حرارتی سی ان جی كه حدود 8/8 هزار ژول /لیتر است ( در مقایسه بنزین حدود 32 هزار ژول می باشد مسافتی كه اتومبیل می پیماید محدود خواهد بود. علاوه بر این به علت محدودیت تعداد ایستگاه ای سوخت گیری اتومبیل باید به نحوی طراحی شود كه علاوه بر سی ان جی بتواند از بنزین هم استفاده نماید.

مزایای سی ان جی به شرح زیر است:

1-موتور در هوای سرد به راحتی روشن می شود.

2-سی ان جی اكتان بسیار بالایی دارد.

3-تمیز می سوزد و ته نشین كمتری در موتور ایجاد می كند.

4- هزینه تعمیراتی موتور كمتر است.

5- مواد آلاینده ناچیزی از اگزوز خارج می گردد. معایت سی ان جی به شرح زیر است:
1- چون به صورت گاز وارد موتور می شود هوای بیشتری در مقایسه با بنزین جایگزین می كند و در نتیجه كارایی حجمی پایین تری دارد.

2- مسافت كوتاه تری در مقایسه با اتومبیل های بنزین طی می كند مگر انكه موتور بتواند علاوه بر گاز از بنزین هم استفاده نماید.

3- قدرت موتور اتومبیل های گاز سوز رویهمرفته 15 درصد كمتر از اتومبیل های بنزین سوز است.
4- ساییدگی نشیمنگاه شیر كه بستگی به میزان رانندگی دارد بیشتر است.
5- خطر بیشتر آتش سوزی در هنگام تصادف در مقایسه با اتومبیل های بنزینی ( البته تاكنون در سوابق ایمنی خطر بیشتر ثابت نشده است) در ایران طرح گاز سوز كردن خودروها یا استفاده از گاز طبیعی فشرده یكی از برنامه های اساسی شركت ملی گاز ایران است در شهرهای شیراز ، مشهد و تهران چندین جایگاه تحویل سوخت با تاسیسات و دستگاه های جانبی و كارگاه تبدیل سیستم خودروها از بنزین سوز به گاز سوز احداث شده و مورد بهرهه برداری قرار گرفته است و عملیات اجرایی برای ساخت تعداد دیگری ایستگاه در دست اجرا قرار دارد.
الف: مایعات گاز طبیعی (NATURAL GAS LIQUIDS)

مایعات گاز طبیعی معمولا همراه با تولید گاز طبیعی حاصل می شود. مایعات گازی (Gas liquids) نیز مترادف مایعات گاز طبیعی می باشد. مایعات گاز طبیعی را نباید با گاز طبیعی مایع و یا ال ان جی اشتباه كرد مواد متشكله در مایعات گاز طبیعی عبارت است از اتان ، گاز مایع ( پروپان و بوتان ) و بنزین طبیعی (natural gasoline) و یا كاندنسیت ( condensate) كه درصد هر كدام بستگی به نوع گاز طبیعی و امكانات بهره برداری دارد.

در سال 1996 كل تولید مایعات گاز طبیعی در جهان بالغ بر روزانه 5.7 میلیون بشكه بوده كه از این مقدار تولید اوپك در حدود 2.6 میلیون بشكه در روز گزارش شده است.

ب: گاز طبیعی مایع ( Liquefied natural gas LNG)

گاز طبیعی عمدتا از متان تشكیل شده است و چنانچه تا منهای 161 درجه سانتیگراد در فشار اتمسفر سرد شود به مایع تبدیل می شود و حجم ان به یك ششصدم حجم گاز اولیه كاهش می یابد در نتیجه حمل آن در كشتی های ویژه به مراكز مصرف امكان پذیر می شود برای مایع كردن گاز متان می توان آن را تا 2/5 درجه سانتیگراد زیر صفر خنك نمود و تحت زیر صفر خنك نمود و تحت فشار 45 اتمسفر به مایع تبدیل كرد این روش از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه است ولی از طرف دیگر حمل ان تحت فشار زیاد احتیاج به مخازن بسیار سنگین با جدار ضخیم دارد كه امكان پذیر نیست و از نظر ایمنی توصیه نمی شود در نتیجه در فرایند تولید گاز طبیعی مایع ، فشار آن رابه اندكی بیش از یك اتمسفر كاهش می دهند تا حمل آن آسان باشد.

اولین محموله گاز طبیعی مایع یا به اختصار ال ان جی به صورت تجاری در سال 1964 از الجزایر به بریتانیا حمل شد و از ان هنگام تجارت گاكردن امكانات بندری و ذخیره سازی در بنادر بارگیری و تخلیه و همچنین ساخت كشتی های ویژه حمل ال ان جی احتیاج به سرمایه گذاری هنگفتی دارد در حالی كه قیمت فروش گاز طبیعی مایع در حال حاضر در سطح نازلی است لذا فروشنده و خریدار باید قبلاً نسبت به انعقاد یك قرارداد طولانی 15 الی 20 ساله نحوه قیمت گذاری و سایر شرایط توافق لازم را به عمل آورند.

در تولید گاز مایع چهار مرحله عمده وجود دارد:

1-  جداسازی ناخالصی ها كه عمدتا از كربن دی اكسید و در برخی از موارد تركیبات گوگردی تشكیل شده است.
2- جداسازی آب كه اگر در سیستم وجود داشته باشد به كریستالهای یخ تبدیل شده و موجب انسداد لوله ها می گردد.
3- تمام هیدروكربورهای سنگین جدا شده و تنها متان و اتان باقی می ماند.
4- گاز باقی مانده تا 160 درجه سانتگراد سرد شده و به حالت مابع در فشار اتمسفر تبدیل می شود. گاز طبیعی مایع در مخازن ویژه عایق كاری شده نگهداری و سپس برای حمل به كشور مقصد تحویل كشتی های ویژه سرمازا( CRYOGENIC TANKERS) می گردد. در حین حمل معمولا بخشی از گاز تبخیر شده به مصرف سوخت موتور كشتی می رسد. در بندر مقصد گاز طبیعی مایع تخلیه می گردد تا هنگام نیاز به مصرف برسد قبل از مصرف گاز طبیعی مایع مجدداً به گاز تبدیل می شود. در فرایند تبدیل مجدد به گاز سرمای زیادی آزاد می شود كه می توان از این سرما مثلا برای انجماد موادغذایی و یا مصارف دیگر تجاری استفاده كرد

.ج:گاز غیر همراه (NON-ASSOCIATED GAS)

گاز غیر همراه از میادینی كه تنها تولید گاز از انها به صورت اقتصادی امكان دارد استخراج می شود به گاز استخراج شده از میادین نفت میعانی كه درصد گاز حاصله از هر بشكه هیدروكربورهای مایع سبكه خیلی زیاد است نیز گاز غیر همراه می گویند

.

چ: كلاهك( CAG CAP)

) حجمی از لایه مخزن در اعماق زمین را كلاهك گاز و یا گنبد گاز (GAS DOME) نامیده اند كه در آن گاز در بالای نفت جمع شود. معمولا مرتفع ترین ، یا یكی از مرتفع ترین مناطق لایه مخزن محسوب می گردد.

د: گاز كلاهك گاز (GAS CAP GAS)

گاز كلاهك به گازی گفته می شود كه در كلاهك گاز محبوس شده باشد.

ذ: گاز مایع (LPG)

مایع و یا به اختصار ال پی جی از پروپان و بوتان تشكیل شده است گازی كه در سیلندر نگهداری می شود و در منازل مورد استفاده قرار می گیرد همان گاز مایع و یا مخلوط پروپان و بوتان است. گاز مایع را می توان از سه منبع بدست آورد:

1- گاز طبیعی غیر همراه گاز ترو ترش از میدان گاز طبیعی را پس از خشك كردن و گوگردزدایی می توان تفكیك كرد و پروپان و بوتان را بدست آورد.

2- گاز طبیعی همراه پس از تفكیك و پالایش گاز طبیعی همراه با نفت خام نیز می توان پروپان و بوتان آن را جدا نمود.

3- نفت خام بخشی از پروپان و بوتان در نفت خام باقی می ماند كه می توان آن را با پالایش نفت خام بدست آورد همچنین در فرایند شكستن ملكولی و یا فرایند افزایش اكتان بنزین نیز ، پروپان و بوتان به صورت محصول جانبی حاصل می شود. در آمیزه گاز مایع درصد پروپان و بوتان بسیار مهم است در تابستانها كه هوا گرم است درصد بوتان را اضافه می كنند ولی در زمستان با افزایش میزان پروپان در حقیقت به تبخیر بهتر آن كمك می نمایند معمولا درصد پروپان در گاز مایع بین 10 الی 50 درصد متغیر است

در جهان روزانه بیش از 5 میلیون بشكه گاز مایع مصرف می شود مصارف گاز مایع در كشورهای مختلف متفاوت است متوسط درصد مصرف آن طی دهه 1990 در جهان در بخش های مختلف به شرح زیر است:

تجاری و خانگی %60، صنایع شیمیایی %15، صنعتی %15، خدماتی %5، تولید بنزین%5 هر تن متر یك پروپان معادل 12.8 بشكه و بوتان برابر 11.1 بشكه است. گاز مایع را با كامیون های مخصوص خط لوله و یا كشتی های ویژه ای كه برای همین منظور ساخته شده است حمل می نمایند.

الف: گاز مشعل (FLARE GAS)

هیدروكربورهای سبك ممكن است به صورت گاز از شیرهای ایمنی در دستگاه های بهره برداری ، پالایشگاه ها و یا مجتمع های پتروشیمی ، گذشته و از طریق مشعل سوزانده شود چنانچه یكی از واحدهای پالایشگاه به علت بروز اشكالاتی در سیستم برق یا آب سرد كننده از كار بیفتد لازم است كه مقادیر خوراك مجتمع و یا محصولات پالایشگاه از طریق دودكش به مشعل هدایت و سوزانده شود تا از خطرات احتمالی جلوگیری شود. در مجتمع های بزرگتر و مجهزتر معمولا دستگاه های بازیاب نصب شده كه می توان در مواقع اضطراری بخشی از مایعات و یا گازها را به انجا هدایت كرد و از وسوختن آنها جلوگیری نمود.

ب: گاز همراه (ASSOCIATED GAS)

گاز همراه یا به صورت محلول در نفت خام است كه در مراحل بهره برداری از نفت خام جدا می شود و یا به صورت جداگانه از نفت خام اشباع شده حاصل می شود