試駕替代方案：第 1 部分 – 天然氣產業

在 70 年代，威廉·邁巴赫嘗試了各種內燃機設計，改變了機制並思考最適合生產單一零件的合金。他經常想知道當時已知的可燃物質中哪一種最適合用於熱機。

在 70 年代，威廉·邁巴赫嘗試了各種內燃機設計，改變了機制並思考最適合生產單一零件的合金。他經常想知道當時已知的可燃物質中哪一種最適合用於熱機。

1875 年，當威廉·邁巴赫還是 Gasmotorenfabrik Deutz 的員工時，他決定測試是否可以使用液體燃料（更確切地說是汽油）來運行燃氣引擎。他想到如果關閉瓦斯閥並在進氣歧管前放置一塊浸有汽油的布會發生什麼事。引擎不會停止，而是繼續工作，直到「吸出」組織中的所有液體。這就是第一個簡易「化油器」的想法誕生的方式，在汽車誕生後，汽油成為它的主要燃料。

我講這個故事是為了提醒您，在汽油被引入作為燃料替代品之前，第一台引擎使用天然氣作為燃料。然後是使用（照明）氣體進行照明的問題，這種氣體不是透過當今已知的方法獲得的，而是透過加工煤炭獲得的。瑞士人艾薩克·德·里瓦克(Isaac de Rivac) 發明的發動機、第一台具有工業意義的“常壓”（無壓縮運行）發動機、1862 年的Ethyl Lenoir 發動機以及稍後由奧托(Otto) 創建的經典四衝程發動機，均採用汽油運行。

這裡有必要提一下天然氣和液化石油氣的差別。天然氣含有70%至98%的甲烷，其餘為高級有機和無機氣體，如乙烷、丙烷和丁烷、一氧化碳等。石油也含有不同比例的氣體，但這些氣體是透過分餾釋放的或由煉油廠的某些副產品產生的。天然氣礦藏非常不同——純氣體或「乾」（即主要含有甲烷）和「濕」（含有甲烷、乙烷、丙烷、其他一些較重的氣體，甚至「汽油」——一種輕質液體，非常有價值的餾分）。油的類型也不同，其中氣體的濃度可低可高。這些油田通常合併在一起——天然氣上升到石油上方並充當「氣頂」。「蓋」和主油田的成分包括上述物質，以及各種餾分，形像地說，是相互「流動」的。用作汽車燃料的甲烷「來自」天然氣，而我們所知的丙烷-丁烷混合物既來自天然氣田，也來自油田。全世界大約6%的天然氣產自煤礦床，而煤礦床往往伴隨著天然氣礦床。

丙丁烷以一種有些矛盾的方式出現在現場。 1911年，一家石油公司的一位憤怒的美國客戶委託他的朋友、著名化學家斯內林博士去查明這一神秘事件的原因。顧客憤怒的原因是，顧客驚訝地發現加油站的油箱剛剛加滿了一半。福特她在去他家的短途旅行中以不明方式失蹤。然而，儲罐並沒有從任何地方洩漏……經過多次實驗，斯內林博士發現造成這個謎團的原因是燃料中丙烷和丁烷氣體的含量很高，並很快開發了第一個蒸餾它們的實用方法。正是由於這些基礎性成就，Snelling 博士現在被認為是該行業的「之父」。

更早的是，大約 3000 年前，牧羊人在希臘的巴拉納斯山發現了「火焰泉」。後來，在這個「聖地」上建造了一座帶有火焰柱的神廟，神諭德爾菲在雄偉的巨像前宣讀祈禱，引起人們的和解、恐懼和敬佩之情。如今，這種浪漫的感覺已經消失了，因為我們知道火焰的來源是從與深層氣田相關的岩石裂縫中洩漏出來的甲烷 (CH4)。里海附近的伊拉克、伊朗和阿塞拜疆等地多地也發生類似火災，這些火災也已經燃燒了數百年，長期以來被稱為「波斯不滅之火」。

許多年後，中國人也使用來自油田的天然氣，但出於一個非常務實的目的——用海水加熱大型鍋爐並從中提取鹽。 1785 年，英國人發明了一種從煤中生產甲烷的方法（用於第一台內燃機），而在XNUMX 世紀初，德國化學家凱庫勒和斯特拉多尼茨為一種用煤生產更重液體燃料的製程申請了專利。

1881年，威廉·哈特在美國弗雷多尼亞市鑽出了第一口氣井。哈特花了很長時間觀察附近海灣的氣泡上升到水面，並決定從地面挖一個洞到擬建的氣田。在地表下九公尺處，他到達了一條噴出氣體的礦脈，後來他捕獲了該礦脈，他新成立的弗雷多尼亞煤氣燈公司成為天然氣行業的先驅。然而，儘管哈特取得了突破，但 XNUMX 世紀使用的照明氣體主要是透過上述方法從煤炭中提取的 - 很大程度上是由於缺乏開發從油田運輸天然氣的技術的能力。

然而，第一個工業石油生產當時已成為事實。他們的故事始於 1859 年的美國，其想法是利用提取的石油來蒸餾照明用煤油和蒸汽機用油。即使在那時，人們也面臨著在地球內部壓縮了數千年的天然氣的破壞力。埃德溫·德雷克團隊的先驅們在賓夕法尼亞州泰特斯維爾附近的第一次即興鑽探中差點喪命，當時氣體從突破口洩漏並發生大火，摧毀了所有設備。如今，油氣田的開採伴隨著一套阻止可燃氣體自由流動的特殊措施系統，但火災和爆炸的情況並不少見。然而，這種氣體在許多情況下被用作一種“泵”，將石油推到地面，當壓力下降時，石油工人開始尋找並使用其他方法來提取“黑金”。

烴類氣體的世界

1885 年，即威廉·哈特 (William Hart) 首次進行天然氣鑽探四年後，另一位美國人羅伯特·本生 (Robert Bunsen) 發明了一種設備，後來被稱為“本生燈”。本發明用於以適當的比例計量和混合氣體和空氣，然後用於安全燃燒——這種燃燒器如今是用於熔爐和加熱設備的現代氧氣噴嘴的基礎。本生的發明為天然氣的使用開闢了新的可能性，但儘管第一條天然氣管道建於 1891 年，但這種藍色燃料直到第二次世界大戰才在工業上變得重要。

正是在戰爭期間，創建了相當可靠的切割和焊接方法，這使得建造安全的金屬天然氣管道成為可能。其中數千公里的管道是戰後在美國建造的，從利比亞到義大利的管道是在六十年代建造的。荷蘭也發現了大型天然氣田。這兩個事實解釋了這兩個國家擁有更好的基礎設施來使用壓縮天然氣（CNG）和液化石油氣（LPG）作為車輛燃料。以下事實證實了天然氣開始具有的巨大戰略重要性——當雷根在八十年代決定摧毀「邪惡帝國」時，他否決了從美國供應用於建設天然氣管道的高科技設備。蘇聯到歐洲。為了滿足歐洲的需求，從北海挪威部分到歐洲大陸的天然氣管道建設正在加快，而蘇聯則堅持不懈。當時，天然氣出口是蘇聯硬通貨的主要來源，雷根措施造成的嚴重短缺很快就導致了60年代初期著名的歷史事件。

如今，民主的俄羅斯是德國能源需求的主要天然氣供應國，也是該領域的全球主要參與者。在70年代兩次石油危機後，天然氣的重要性開始成長，如今它已成為具有地緣戰略重要性的主要能源之一。目前，天然氣是最便宜的暖氣燃料，用作化學工業、發電、家用電器的原料，其「表弟」丙烷甚至可以在除臭劑瓶中作為除臭劑使用。替代消耗臭氧層的氟化合物。天然氣消費量不斷成長，天然氣管網越來越長。至於迄今為止為汽車使用這種燃料而建造的基礎設施，一切都遠遠落後。

我們已經告訴您二戰期間日本在生產急需且稀缺的燃料方面做出的奇怪決定，我們也提到了德國的合成汽油計劃。然而，人們對這樣一個事實知之甚少：在德國的貧民戰爭年代，有非常真實的由…木材驅動的汽車！在這種情況下，這並不是回到老式蒸汽機，而是內燃機，最初設計為使用汽油運行。事實上，這個想法並不是很複雜，但它需要使用體積龐大、笨重且危險的氣體發生器系統。煤、木炭或只是木材被放置在一個特殊且不是很複雜的發電廠。在其底部，它們在沒有氧氣的情況下燃燒，在高溫和潮濕的條件下，它們釋放出含有一氧化碳、氫氣和甲烷的氣體。然後將其冷卻、清潔並送入引擎進氣歧管用作燃料。當然，這些車輛的司機執行消防員複雜而困難的任務——鍋爐必須定期充電和清潔，吸煙機實際上看起來有點像蒸汽機車。

如今，天然氣勘探需要一些世界上最先進的技術，而天然氣和石油生產是科學技術面臨的最大挑戰之一。這一事實在美國尤其如此，越來越多的非常規方法被用來「吸走」老舊或廢棄油田中剩餘的天然氣，以及提取所謂的「緻密」天然氣。科學家估計，以 1985 年的技術水準生產天然氣，現在需要兩倍的鑽探量。此方法的效率顯著提高，設備重量減輕了75%。越來越複雜的電腦程式用於分析來自重力計、地震技術和雷射衛星的數據，並根據這些數據創建電腦生成的 4D 儲層圖。所謂的 XNUMXD 圖像也已被創建，透過它可以可視化沉積物隨時間的形狀和運動。然而，最先進的設施仍然用於海上天然氣生產——人類在這一領域進步的一部分只是全球鑽井定位系統、超深鑽井、海底管道和液化間隙系統。一氧化碳和沙子。

精煉石油以生產高品質汽油是一項比加工氣體複雜得多的任務。另一方面，事實證明，透過海上運輸天然氣更加昂貴和複雜。液化石油氣油輪的設計相當複雜，但液化天然氣油輪是一個令人驚嘆的創作。丁烷在 -2 度時液化，而丙烷在 -42 度或相對較低的壓力下液化。然而，液化甲烷需要-165度！因此，液化石油氣油輪的建造需要比天然氣更簡單的壓縮機站，儲槽的設計不能承受 20-25 巴的特別高的壓力。相比之下，液化天然氣油輪配備了連續冷卻系統和超級隔熱儲罐——本質上是世界上最大的低溫冰箱龐然大物。然而，一些氣體設法從這些裝置中“逸出”，但另一個系統立即捕獲它並將其供應到船舶引擎的氣缸中。

基於上述原因，早在 1927 年，科技就讓第一批丙烷-丁烷儲槽得以倖存，這是完全可以理解的。這是荷蘭-英國殼牌公司的作品，當時該公司已經是一家巨頭公司。她的老闆凱斯勒是一位有遠見的實驗家，長期以來一直夢想著以某種方式利用仍然洩漏到大氣中或在煉油廠燃燒的大量天然氣。根據他的想法和倡議，第一艘承載能力為 4700 噸的海船被建造出來，用於運輸碳氫化合物氣體，其甲板儲罐上方的尺寸具有奇異的外觀和令人印象深刻的尺寸。

然而，為康斯托克國際甲烷有限公司建造的第一艘甲烷運輸船「甲烷先鋒號」還需要三十二年的時間才能建造。已經擁有穩定的液化石油氣生產和分銷基礎設施的殼牌收購了這家公司，很快又建造了兩艘巨型油輪——殼牌開始發展液化天然氣業務。該公司正在英國康威島建造甲烷儲存設施，噹噹地居民意識到實際儲存並運輸到他們島上的是什麼時，他們感到震驚和害怕，認為這些船隻是巨大的炸彈（正確地）。當時，安全問題確實很緊迫，但今天液化甲烷油輪極其安全，不僅是最安全的船舶之一，而且還是最環保的海上船舶之一——對環境來說比油輪更安全。油輪船隊的最大客戶是日本，該國當地幾乎沒有能源，而建造通往島上的天然氣管道是一項非常複雜的工程。日本也擁有最大的燃氣汽車車隊。目前液化天然氣 (LNG) 的主要供應商是美國、阿曼和卡達、加拿大。

近年來，利用天然氣生產液態碳氫化合物的業務變得越來越受歡迎。這主要是由甲烷合成的超清潔柴油，預計未來該產業將加速成長。例如，布希的能源政策要求使用當地能源，而阿拉斯加則擁有大量天然氣儲量。這些過程受到相當高的油價的刺激，這為開發昂貴的技術創造了先決條件——GTL（天然氣製油）只是其中之一。

原則上，GTL並不是新技術。它是由德國化學家弗朗茨·費舍爾 (Franz Fischer) 和漢斯·托普希 (Hans Tropsch) 在 20 年代創建的，在前幾期中作為他們的合成計劃的一部分提到過。然而，與煤的破壞性氫化不同，這裡發生將輕分子結合成更長鍵的過程。南非自 50 世紀 90 年代以來就開始工業化生產這種燃料。然而，近年來，人們對它們的興趣不斷增長，以尋求減少美國有害燃料排放的新機會。英國石油公司(BP)、雪佛龍德士古(ChevronTexaco)、康菲石油公司(Conoco)、埃克森美孚(ExxonMobil)、Rentech、沙索(Sasol) 和荷蘭皇家/殼牌(Royal Dutch/Shell ) 等主要石油公司正在斥巨資開發GTL 相關技術，由於這些發展，人們對政治和社會方面的討論越來越多。面對激勵。對清潔燃料消費者課稅。這些類型的燃料將使許多消費者能夠以更清潔的燃料取代柴油，並將降低汽車公司達到法律規定的新排放水平的成本。最近的深入測試表明，GTL 燃料可將一氧化碳含量降低 63%，將碳氫化合物含量降低 23%，將碳煙含量降低 XNUMX%，而無需顆粒過濾器。此外，這種燃料的低硫性質允許使用額外的催化劑，從而進一步減少有害的車輛排放。

GTL燃料的一個重要優點是它可以直接用於柴油發動機，而無需對裝置進行任何修改。它們還可以與含 30 至 60 ppm 硫的燃料混合。與天然氣和液化石油氣不同，運輸液體燃料無需改變現有的運輸基礎設施。 Rentech 總裁 Denis Jakubson 表示，這種燃料可以理想地補充柴油引擎的環保經濟潛力，殼牌目前正在卡達建造一座耗資 22,3 億美元的大型工廠，設計產能為每噸 XNUMX 萬公升合成燃料。天。。這些燃料的最大問題是新設施所需的巨額投資以及通常昂貴的生產過程。

沼氣

然而，甲烷的來源不只是地下沉積物。 1808年，漢弗萊·戴維（Humphry Davy）進行了實驗，將稻草放入真空蒸餾罐中，產生主要含有甲烷、二氧化碳、氫氣和氮氣的沼氣。丹尼爾·笛福在他的小說《失落的島》中也談到了沼氣。然而，這個想法的歷史更為悠久——在1776世紀，Jan Baptist Van Helmont相信有機物質的分解可以得到可燃氣體，亞歷山大·沃爾塔伯爵（電池的創造者）也得出了類似的結論1859年。第一座沼氣廠在孟買開始運營，建於埃德溫·德雷克 (Edwin Drake) 首次成功進行石油鑽探的同一年。印度一家工廠處理糞便並為路燈供應天然氣。

要徹底了解和研究沼氣生產中涉及的化學過程還需要很長時間。這在30世紀XNUMX年代才成為可能，是微生物學飛躍發展的結果。事實證明，這個過程是由厭氧細菌引起的，厭氧細菌是地球上最古老的生命形式之一。它們在厭氧環境中「研磨」有機物（有氧分解需要大量氧氣並產生熱量）。這樣的過程也自然發生在沼澤、沼澤、稻田、有蓋潟湖等地方。

現代沼氣生產系統在一些國家越來越受歡迎，瑞典在沼氣生產和沼氣汽車生產方面均處於領先地位。合成裝置使用專門設計的生物發電機——相對便宜且簡單的設備，可為細菌創造合適的環境，根據細菌的類型，細菌在 40 至 60 度的溫度下「工作」最有效。沼氣廠的最終產品除了氣體外，還含有富含氨、磷和其他元素的化合物，適合在農業中用作土壤肥料。