تکنولوژي هيدرات هاي گازي

● مقدمه:

منشا سوختهاي گازي متفاوت است. برخي به طور طبيعي وجود دارند و برخي ديگر از تغيير شکل سوختهاي مايع و يا جامد تهيه مي شوند. سازنده ي اصلي مفيد آنها هيدروژن ٬ اکسيد کربن و متان است و گاهي هيدروکربورهاي سنگين تر مانند اتان و پروپان نيز در آنها وجود دارد. در گاز سوختني همواره مقداري گاز بي اثر مانند ازت و گاز کربنيک نيز موجود است. سوختهاي گازي را به دو دسته سوختهاي گازي طبيعي و سوختهاي گازي ساختگي تقسيم مي کنند. سوختهاي گازي طبيعي شامل گازهاي:

۱) طبيعي که از رگه هاي نفتي وهمراه آنها به دست مي آيد.

۲) گريزو که از معادن زغال سنگ متصاعد مي شود و بيشتر داراي متان است. گاهي کمي اتان و گازهاي بي اثر مانند CO۲ و N۲ نيز در آن وجود دارد.



سوختهاي گازي ساختگي شامل انواع زير است:

الف) گاز تقطير زغال سنگ:

سازنده ي اصلي اين گاز متان و هيدروژن است ولي مقدار کمي آن وجود دارد. قدرت گرمايي آن حدود ۴۲۰۰ تا ۴۵۰۰ کيلوکالري بر متر مکعب است. اين گاز را سابقا به نام گاز روشنايي يا گاز شهر مي ناميدند ولي امروزه گاز شهر محتوي گاز آب گاز فقير گاز روغن و يا گاز طبيعي است.

ب) گاز فقير يا گاز هوا :

اين گاز از گاز کردن کک ويا زغال سنگ توسط هوا و يا مخلوط هوا و کمي بخار آب تهيه مي شود. اگر فقط هوا بر روي سوخت جامد بدمند گاز حاصل محتوي CO است که به وسيله ي CO۲ و N۲ رقيق شده است و قدرت گرمايي آن نزديک به ۱۰۰۰ کيلو کالري بر متر مکعب است. غالبا به هواي دميده شده کمي بخار آب اضافه مي کنند که در اين صورت گاز حاصل محتوي مقداري هيدروژن نيز بوده و قدرت گرمايي آن به ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ کيلوکالري بر متر مکعب مي رسد. اگر به جاي کک زغال سنگ قير دار که غني از مواد فرار است به کار برند قدرت گرمايي گاز حاصل به حدود ۱۵۰۰ تا ۱۸۰۰ کيلوکالري بر متر مکعب مي رسد. در اين صورت گاز داراي متان و بخارات گودرون که قابل فشرده شدن است مي باشد.

ج) گاز آب:

از گاز کردن کک ويا زغال سنگ به وسيله ي بخار آب و يا مخلوط بخار آب و اکسيژن گاز آب حاصل مي شود. اين گاز محتوي CO ٬ H۲ و کمي CO۲ است و به عنوان سوخت و مخلوط با گازهاي ديگر و يا به عنوان ماده ي اوليه برخي سنتز ها به کار مي رود و به همين جهت آنرا گاز سنتز نيز مي نامند. قدرت گرمايي آن حدود ۲۵۰۰ تا ۲۸۰۰ کيلوکالري بر متر مکعب است.

د) گاز آب کربور شده:

اين گاز مخلوط گاز آب و گاز روغن است و از تبخير مقداري از محصولات نفتي در گاز آب حاصل از گازوژن به دست مي آيد. محصولات نفتي در اثر حرارت تجزيه شده و مواد حاصل به گاز آب اضافه مي شود. با تغيير دادن جنس مواد روغني و شرايط کراکينگ مي توان نوع محصول را کنترل کرد.

ه) گاز کوره بلند:

اين گاز شبيه گاز فقير است زيرا از اثر هوا بر کک در کوره ي بلند به وجود مي ايدو مقدار هيدروژن آن بسيار کم است. قدرت گرمايي آن ۸۰۰ تا ۹۰۰ کيلوکالري بر متر مکعب است.

و) گاز تصفيه خانه نفت:

در اثر تقطير و کراکينگ محصولات نفتي نيز گازي شبيه به گاز طبيعي به دست مي ايد.

▪ گاز طبيعي :

گاز طبيعي غالبا همراه نفت است و نفت را از درون خاک به طرف چاه هاي استخراج مي راند. هنگام بالا رفتن مخلوط نفت و گاز در چاه ها گاز آن آزاد شده و مخلوط را به بالاي چاه مي برد. در نفتهاي که از گاز اشباع نشده اند و فقط تحت فشار آب قرار دارند مقدار گاز حل شده کمتر و در نفتهاي فوق اشباع مقدار گاز بيشتر است. همچنين رگه هايي وجود دارد که فقط داراي گاز طبيعي است و نفت ندارد. قسمت اعظم گاز طبيعي از متان تشکيل شده و غير از متان هيدروکربورهاي گازي ديگر از C۲ تا C۴ با مقادير متفاوت و همچنين هيدروکربورهاي بالاتر نيز در آن وجود دارد. گاز طبيعي ممکن است خشک و يا مرطوب باشد.گازهاي خشک مقداري کمتر از ۱۳.۴ سانتي متر مکعب بنزين در هر متر مکعب گاز دارا مي باشند. بنزين گازهاي مرطوب حدود ۴۰.۲ سانتي متر مکعب بر متر مکعب گاز است.گازهاي طبيعي گاهي علاوه بر هيدروکربورها محتوي CO۲ ٬ H۲ S ٬ H۲ O ٬ O۲ ٬ N۲ و He نيز مي باشند. بين اين ناخالصي ها H۲ O ٬ H۲ S و CO۲ نا مطلوب هستند. مثلا آب با هيروکربورهاي گازي توليد هيدراتهاي متبلوري مي کند که داراي ترکيب پيچيده بوده و در حين انتقال گاز به صورت بلورهايي شبيه برف ويا يخ در لوله ها و شيرها مي بندد و راه عبور گاز را مسدود مي کند. بايد توجه داشت که بوتان نرمال و هيدروکربورهاي بالاتر هيدرات جامد تشکيل نمي دهند. به همين دليل بايستي گاز طبيعي را قبل از انتقال خشک نمايند. اگر گاز طبيعي داراي CO۲ و H۲ S باشد بايستي انها هم حذف شوند زيرا باعث خوردگي مي شوند. خشک کردن بايد به حدي باشد که نقطه ي شبنم گاز زير پايين ترين درجه حرارت مسير گاز باشد. عوامل خشک کننده به صورت مايع يا جامد مصرف مي شوند. از بين خشک کننده هاي جامد اکسيد الومينيوم فعال شده و يا بوکسيت فعال شده بيش از همه به کار مي رودو نقطه ي شبنم را بيش از ۵۰ درجه سانتي گراد پايين مي برد. براي تصفيه ي کردن مقادير زياد گاز از روش پيوسته به نام هيپرسورپسيون استفاده مي کنند در اين روش زغال فعال از وراء يک سري ظرف پايين مي رود در ظرف اول و در اولين مرحله زغال سرد مي شود سپس زغال وارد منطقه ي جذب سطحي شده و مواد مضر بر روي آن جذب سطحي مي شوند. زغال از مناطق ديگري مي گذرد که در آنها به تدريج هيدروکربورهاي جذب شده را پس مي دهد و به اين طريق محصولات نسبتا خالص به دست مي آيد.

▪ تکنولوژي هيدرات:

هيدرات گازي، يک جامد بلوري است که درآن مولکول هاي آب مولکول هاي گاز را احاطه کرده اند. گازهاي زيادي وجود دارند که ساختار مناسبي براي تشکيل هيدرات دارند که از آن جمله مي توان به دي اکسيدکربن، سولفيدهيدروژن و هيدروکربن هاي با تعداد کربن کم اشاره کرد.هيدرات هاي گازي که بيشتر در بستر درياها تشکيل مي شوند، بيشتر از نوع هيدرات متان هستند. اين ماده که از آن به عنوان «يخ شعله ور» ياد مي شود، داراي مقدار بسيار زيادي گازمتان و مکان تشکيل آن معمولاً رسوب کف اقيانوس ها و مناطق قطبي هميشه منجمد است. از خاصيت هيدرات مي توان براي انتقال گاز نيز سود جست. شرايط تشکيل هيدرات عبارتند از: فشار و دماي مناسب، وجود مولکول آب و وجود مولکول گاز.

هيدرات گازي به طورطبيعي در دما و فشار محيط رسوبات کف اقيانوس دما و درمناطق با عمق بيش از۵۰۰ متر تشکيل مي شود. در اين فشار و در دماهايي بالاتر از دماي پايدار يخ، هيدرات گازي کاملاً پايدار است. همچنين درمناطق هميشه منجمد قطبي، اين ماده به صورت ترکيب با يخ هاي محيط، به مقدار زيادي يافت مي شود. هيدرات گازي را درسال۱۸۱۱ ميلادي «همسفري ديوي»، هنگام توليد حباب هاي گاز کلر درآب سرد به روش آزمايشگاهي کشف کرد. درسال۱۸۳۲، مايکل فارادي نخستين فرمول شيميايي را براي هيدرات گازي ارائه کرد که در آن يک مولکول گاز به وسيله ده مولکول آب احاطه شده بود. درسال۱۹۴۳ وقتي اولين خط لوله گاز طراحي شده بهره برداري شد، پديده گرفتگي لوله به وسيله ذرات جامد هيدرات گاز ازسوي هايمراشميت درآمريکا مطرح شد.

به دنبال اين پديده، تکنيک جلوگيري از تشکيل اين ماده در لوله هاي نفت وگاز و فرآيندي براي نم گيري از جريان گاز شکل گرفت. درسال۱۹۵۱واندرووالس مباني ترموديناميک هيدرات گازي را مطالعه و تبيين کرد. از دهه۹۰ ميلادي تاکنون کشورهاي آمريکا، ژاپن، هندوستان و کانادا با اختصاص بودجه چشمگيري، برنامه تحقيقاتي طولاني مدتي را در زمينه هيدرات هاي گازي آغاز کرده اند.

● دلايل اهميت هيدرات هاي گازي:

قابليت زياد هيدرات گازي در ذخيره سازي گازطبيعي، سبب ايجاد جذابيت درباره استفاده از آن براي مقاصد ذخيره سازي و حمل ونقل گازطبيعي و ديگر گازها به عنوان رقيبي براي روش هاي مايع سازي و متراکم کردن مي شود. از دهه۱۹۶۰ که هيدرات گازي به عنوان عاملي مزاحم درخطوط لوله گاز به وجود آمد، ايده انتقال گازطبيعي به وسيله هيدرات در ذهن بسياري از دانشمندان شکل گرفت. به دليل آن که دماي حمل هيدرات بالاتر از دماي حمل گازطبيعي مايع شده(ال.ان.جي) است، هيدرات گازي را به آساني مي توان انتقال داد؛ از اين رو فناوري ساخت کشتي هاي حمل هيدرات، پيچيدگي بسيارکمتري درقياس با کشتي هاي حمل ال.ان.جي خواهد داشت و تأسيسات توليد هيدرات بسيار ساده تر از تأسيسات ال.ان.جي مي توانند طراحي شوند.

اما مشکل اساسي، حجم کمتر گازمنتقل شده است. براساس مطالعات انجام شده در اين زمينه، هريک مترمکعب هيدرات، ۱۷۵ مترمکعب گاز را درخود جاي مي دهد. درصورتي که درفناوري ال.ان.جي کاهش حجم به يک ششصدم مي رسد و اين موضوع در اقتصادي بودن طرح هاي انتقال گاز به خصوص فواصل دوردست بسيار با اهميت است. با وجود اين، هنوز اميدهاي زيادي وجود دارد تا هيدرات به عنوان يک راه حل کاملاً اقتصادي براي انتقال گاز به کار رود. در اين زمينه شرکت بريتيش پتروليوم با همکاري مراکز علمي ديگر مانند دانشگاه گواسن درحال ساخت يک واحد صنعتي کوچک است که توان توليد۱۰۰ کيلوگرم هيدرات در روز را دارد.

هيدرات گازي را در فرآيندهاي جداسازي نيز مي توان به کاربرد. هيدرات هاي گازي تنها با تعداد محدودي از مواد تشکيل يافته است. اگربخواهيم ماده اي را از مخلوطي، شامل مواد غيرقابل تشکيل هيدرات جدا کنيم، استفاده از ويژگي تشکيل هيدرات به عنوان يک فرصت تلقي مي شود. براي مثال مي توان به غليظ کردن جريان هاي غني از آب، تهيه آب آشاميدني از آب دريا و يا جداسازي جريان هاي گاز اشاره کرد.

کشف مقدار زيادي هيدرات گاز در دامنه شمالي آلاسکا و پايين خليج جنوب شرقي ايالات متحده امريکا،اين ايده را قوت مي بخشد که هيدراتهاي گاز،منبع بسيار مهم انرژي در آيندهمحسوب ميشوند.گرچه،ابتدا مسائل بسيار مهم تکنيکي و فني بايد حل شود تا بتوان هيدرات

هاي گاز را به عنوان يک منبع انرژي مهم در جهان،معرفي کرد.هيدرات هاي گاز به طور طبيعي به شکل مواد کريستالي که از آب و گاز تشکيل شده،هستند.در هيدرات ها، يک شبکه جامد آب،ملکول هاي گاز را در يک ساختار قفس مانند در خود جاي مي دهند.هيدرات هاي گاز بيشتر در نواحي يخ زده و قطبي و زير دريا در لايه هاي رسوبي وجود دارند. در حالي که،متان،پروپان و ديگر گازها مي توانند در ساختار قفس مانند محبوس شوند،اما احتمال تشکيل هيدرات متان بسيار بيشتر است.ميزان متان محبوس شده در هيدرات هاي گاز بسيار زياد است و تخمين ميزان آن بيشتر حدسي و فرضي است و محدوده آن از ۰۰۰/۱۰۰ تا ۰۰۰/۰۰۰/۲۷۰ تريليون فوت مکعب است.به نظر مي رسد که ميزان گاز در ذخاير هيدرات جهان بسيار بيشتر از حجم منابع ديگر انرژي است.گرچه تا به حال در مورد دسترسي و توليد اين هيدرات هاي گاز تحقيق و پژوهش بسياري صورت نگرفته است.هدف اوليه پژوهش هاي مربوط به هيدرات هاي گاز، بررسي پارامترهاي زمين شناختي است که ايجاد هيدرات هاي گاز را در کنترل دارد.هدف ديگر، ارزيابي حجم گاز طبيعي ذخيره شده، درون انباشته هاي جهاني هيدراتهاي گاز است.اين مقاله نتايج آخرين ارزيابي ها در مورد منابع هيدرات گاز طبيعي را مطرح مي کند و سعي دارد توانايي توليد ذخاير هيدرات هاي گاز را ارزيابي کند و فناوري لازم براي توليد اقتصادي و به صرفه هيدرات هاي گاز در ۲۰ تا ۵۰ سال آينده را پايان مروري بر برنامه هاي توليد گاز از منابع هيدرات در ژاپن و هندوستان خواهيم داشت