تكنولوژي هيدرات

منشا سوختهای گازی متفاوت است. برخی به طور طبیعی وجود دارند و برخی دیگر از تغییر شکل سوخت های مایع و یا جامد تهیه می شوند. سازنده ی اصلی مفید آنها هیدروژن ٬ اکسید کربن و متان است و گاهی هیدروکربورهای سنگین تر مانند اتان و پروپان نیز در آنها وجود دارد. در گاز سوختنی همواره مقداری گاز بی اثر مانند ازت و گاز کربنیک نیز موجود است. سوختهای گازی را به دو دسته سوختهای گازی طبیعی و سوختهای گازی ساختگی تقسیم می کنند. سوختهای گازی طبیعی شامل گازهای:

1) طبیعی که از رگه های نفتی وهمراه آنها به دست می آید.

2) گریزو که از معادن زغال سنگ متصاعد می شود و بیشتر دارای متان است. گاهی کمی اتان و گازهای بی اثر مانند و نیز در آن وجود دارد.

سوختهای گازی ساختگی شامل انواع زیر است:

الف) گاز تقطیر زغال سنگ:

سازنده ی اصلی این گاز متان و هیدروژن است ولی مقدار کمی آن وجود دارد. قدرت گرمایی آن حدود ۴۲۰۰ تا ۴۵۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است. این گاز را سابقا به نام گاز روشنایی یا گاز شهر می نامیدند ولی امروزه گاز شهر محتوی گاز آب گاز فقیر گاز روغن و یا گاز طبیعی است.

ب) گاز فقیر یا گاز هوا :

این گاز از گاز کردن کک ویا زغال سنگ توسط هوا و یا مخلوط هوا و کمی بخار آب تهیه می شود. اگر فقط هوا بر روی سوخت جامد بدمند گاز حاصل محتوی CO است که به وسیله ی و رقیق شده است و قدرت گرمایی آن نزدیک به ۱۰۰۰ کیلو کالری بر متر مکعب است. غالبا به هوای دمیده شده کمی بخار آب اضافه می کنند که در این صورت گاز حاصل محتوی مقداری هیدروژن نیز بوده و قدرت گرمایی آن به ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب می رسد. اگر به جای کک زغال سنگ قیر دار که غنی از مواد فرار است به کار برند قدرت گرمایی گاز حاصل به حدود ۱۵۰۰ تا ۱۸۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب می رسد. در این صورت گاز دارای متان و بخارات گودرون که قابل فشرده شدن است می باشد.

ج) گاز آب:

از گاز کردن کک ویا زغال سنگ به وسیله ی بخار آب و یا مخلوط بخار آب و اکسیژن گاز آب حاصل می شود. این گاز محتوی CO ٬ و کمی است و به عنوان سوخت و مخلوط با گازهای دیگر و یا به عنوان ماده ی اولیه برخی سنتز ها به کار می رود و به همین جهت آنرا گاز سنتز نیز می نامند. قدرت گرمایی آن حدود ۲۵۰۰ تا ۲۸۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است.

د) گاز آب کربور شده:

این گاز مخلوط گاز آب و گاز روغن است و از تبخیر مقداری از محصولات نفتی در گاز آب حاصل از گازوژن به دست می آید. محصولات نفتی در اثر حرارت تجزیه شده و مواد حاصل به گاز آب اضافه می شود. با تغییر دادن جنس مواد روغنی و شرایط کراکینگ می توان نوع محصول را کنترل کرد.

ه) گاز کوره بلند:

این گاز شبیه گاز فقیر است زیرا از اثر هوا بر کک در کوره ی بلند به وجود می آید و مقدار هیدروژن آن بسیار کم است. قدرت گرمایی آن ۸۰۰ تا ۹۰۰ کیلوکالری بر متر مکعب است.

و) گاز تصفیه خانه نفت:

در اثر تقطیر و کراکینگ محصولات نفتی نیز گازی شبیه به گاز طبیعی به دست می اید.

گاز طبیعی :

گاز طبیعی غالبا همراه نفت است و نفت را از درون خاک به طرف چاه های استخراج می راند. هنگام بالا رفتن مخلوط نفت و گاز در چاه ها گاز آن آزاد شده و مخلوط را به بالای چاه می برد. در نفتهای که از گاز اشباع نشده اند و فقط تحت فشار آب قرار دارند مقدار گاز حل شده کمتر و در نفتهای فوق اشباع مقدار گاز بیشتر است. همچنین رگه هایی وجود دارد که فقط دارای گاز طبیعی است و نفت ندارد. قسمت اعظم گاز طبیعی از متان تشکیل شده و غیر از متان هیدروکربورهای گازی دیگر از

تا با مقادیر متفاوت و همچنین هیدروکربورهای بالاتر نیز در آن وجود دارد. گاز طبیعی ممکن است خشک و یا مرطوب باشد.گازهای خشک مقداری کمتر از 4/13 سانتی متر مکعب بنزین در هر متر مکعب گاز دارا می باشند. بنزین گازهای مرطوب حدود 2/40 سانتی متر مکعب بر متر مکعب گاز است.گازهای طبیعی گاهی علاوه بر هیدروکربورها محتوی

٬ ٬٬ ، و He نیز می باشند. بین این ناخالصی ها ٬ و نا مطلوب هستند. مثلا آب با هیروکربورهای گازی تولید هیدراتهای متبلوری می کند که دارای ترکیب پیچیده بوده و در حین انتقال گاز به صورت بلورهایی شبیه برف ویا یخ در لوله ها و شیرها می بندد و راه عبور گاز را مسدود می کند. باید توجه داشت که بوتان نرمال و هیدروکربورهای بالاتر هیدرات جامد تشکیل نمی دهند. به همین دلیل بایستی گاز طبیعی را قبل از انتقال خشک نمایند. اگر گاز طبیعی دارای

و باشد بایستی انها هم حذف شوند زیرا باعث خوردگی می شوند. خشک کردن باید به حدی باشد که نقطه ی شبنم گاز زیر پایین ترین درجه حرارت مسیر گاز باشد. عوامل خشک کننده به صورت مایع یا جامد مصرف می شوند. از بین خشک کننده های جامد اکسید الومینیوم فعال شده و یا بوکسیت فعال شده بیش از همه به کار می رودو نقطه ی شبنم را بیش از ۵۰ درجه سانتی گراد پایین می برد. برای تصفیه ی کردن مقادیر زیاد گاز از روش پیوسته به نام هیپرسورپسیون استفاده می کنند در این روش زغال فعال از وراء یک سری ظرف پایین می رود در ظرف اول و در اولین مرحله زغال سرد می شود سپس زغال وارد منطقه ی جذب سطحی شده و مواد مضر بر روی آن جذب سطحی می شوند. زغال از مناطق دیگری می گذرد که در آنها به تدریج هیدروکربورهای جذب شده را پس می دهد و به این طریق محصولات نسبتا خالص به دست می آید.

تکنولوژی هیدرات

هیدرات گازی، یک جامد بلوری است که درآن مولکول های آب مولکول های گاز را احاطه کرده اند. گازهای زیادی وجود دارند که ساختار مناسبی برای تشکیل هیدرات دارند که از آن جمله می توان به دی اکسیدکربن، سولفیدهیدروژن و هیدروکربن های با تعداد کربن کم اشاره کرد.هیدرات های گازی که بیشتر در بستر دریاها تشکیل می شوند، بیشتر از نوع هیدرات متان هستند. این ماده که از آن به عنوان «یخ شعله ور» یاد می شود، دارای مقدار بسیار زیادی گازمتان و مکان تشکیل آن معمولاً رسوب کف اقیانوس ها و مناطق قطبی همیشه منجمد است. از خاصیت هیدرات می توان برای انتقال گاز نیز سود جست. شرایط تشکیل هیدرات عبارتند از: فشار و دمای مناسب، وجود مولکول آب و وجود مولکول گاز.

هیدرات گازی به طورطبیعی در دما و فشار محیط رسوبات کف اقیانوس دما و درمناطق با عمق بیش از۵۰۰ متر تشکیل می شود. در این فشار و در دماهایی بالاتر از دمای پایدار یخ، هیدرات گازی کاملاً پایدار است. همچنین درمناطق همیشه منجمد قطبی، این ماده به صورت ترکیب با یخ های محیط، به مقدار زیادی یافت می شود. هیدرات گازی را درسال۱۸۱۱ میلادی «همسفری دیوی»، هنگام تولید حباب های گاز کلر درآب سرد به روش آزمایشگاهی کشف کرد. درسال۱۸۳۲، مایکل فارادی نخستین فرمول شیمیایی را برای هیدرات گازی ارائه کرد که در آن یک مولکول گاز به وسیله ده مولکول آب احاطه شده بود. درسال۱۹۴۳ وقتی اولین خط لوله گاز طراحی شده بهره برداری شد، پدیده گرفتگی لوله به وسیله ذرات جامد هیدرات گاز ازسوی هایمراشمیت درآمریکا مطرح شد.

به دنبال این پدیده، تکنیک جلوگیری از تشکیل این ماده در لوله های نفت وگاز و فرآیندی برای نم گیری از جریان گاز شکل گرفت. درسال۱۹۵۱واندرووالس مبانی ترمودینامیک هیدرات گازی را مطالعه و تبیین کرد. از دهه۹۰ میلادی تاکنون کشورهای آمریکا، ژاپن، هندوستان و کانادا با اختصاص بودجه چشمگیری، برنامه تحقیقاتی طولانی مدتی را در زمینه هیدرات های گازی آغاز کرده اند.

دلایل اهمیت هیدرات های گازی

قابلیت زیاد هیدرات گازی در ذخیره سازی گازطبیعی، سبب ایجاد جذابیت درباره استفاده از آن برای مقاصد ذخیره سازی و حمل ونقل گازطبیعی و دیگر گازها به عنوان رقیبی برای روش های مایع سازی و متراکم کردن می شود. از دهه۱۹۶۰ که هیدرات گازی به عنوان عاملی مزاحم درخطوط لوله گاز به وجود آمد، ایده انتقال گازطبیعی به وسیله هیدرات در ذهن بسیاری از دانشمندان شکل گرفت. به دلیل آن که دمای حمل هیدرات بالاتر از دمای حمل گازطبیعی مایع شده(ال.ان.جی) است، هیدرات گازی را به آسانی می توان انتقال داد؛ از این رو فناوری ساخت کشتی های حمل هیدرات، پیچیدگی بسیارکمتری درقیاس با کشتی های حمل ال.ان.جی خواهد داشت و تأسیسات تولید هیدرات بسیار ساده تر از تأسیسات ال.ان.جی می توانند طراحی شوند.

اما مشکل اساسی، حجم کمتر گازمنتقل شده است. براساس مطالعات انجام شده در این زمینه، هریک مترمکعب هیدرات، ۱۷۵ مترمکعب گاز را درخود جای می دهد. درصورتی که درفناوری ال.ان.جی کاهش حجم به یک ششصدم می رسد و این موضوع در اقتصادی بودن طرح های انتقال گاز به خصوص فواصل دوردست بسیار با اهمیت است. با وجود این، هنوز امیدهای زیادی وجود دارد تا هیدرات به عنوان یک راه حل کاملاً اقتصادی برای انتقال گاز به کار رود. در این زمینه شرکت بریتیش پترولیوم با همکاری مراکز علمی دیگر مانند دانشگاه گواسن درحال ساخت یک واحد صنعتی کوچک است که توان تولید۱۰۰ کیلوگرم هیدرات در روز را دارد.

هیدرات گازی را در فرآیندهای جداسازی نیز می توان به کاربرد. هیدرات های گازی تنها با تعداد محدودی از مواد تشکیل یافته است. اگربخواهیم ماده ای را از مخلوطی، شامل مواد غیرقابل تشکیل هیدرات جدا کنیم، استفاده از ویژگی تشکیل هیدرات به عنوان یک فرصت تلقی می شود. برای مثال می توان به غلیظ کردن جریان های غنی از آب، تهیه آب آشامیدنی از آب دریا و یا جداسازی جریان های گاز اشاره کرد.

کشف مقدار زیادی هیدرات گاز در دامنه شمالی آلاسکا و پایین خلیج جنوب شرقی ایالات متحده امریکا،این ایده را قوت می بخشد که هیدراتهای گاز، منبع بسیار مهم انرژی در آینده محسوب میشوند.گرچه، ابتدا مسائل بسیار مهم تکنیکی و فنی باید حل شود تا بتوان هیدرات های گاز را به عنوان یک منبع انرژی مهم در جهان، معرفی کرد. هیدرات های گاز به طور طبیعی به شکل مواد کریستالی که از آب و گاز تشکیل شده، هستند. در هیدرات ها، یک شبکه جامد آب، ملکول های گاز را در یک ساختار قفس مانند در خود جای می دهند. هیدرات های گاز بیشتر در نواحی یخ زده و قطبی و زیر دریا در لایه های رسوبی وجود دارند. در حالی که، متان، پروپان و دیگر گازها می توانند در ساختار قفس مانند محبوس شوند، اما احتمال تشکیل هیدرات متان بسیار بیشتر است. میزان متان محبوس شده در هیدرات های گاز بسیار زیاد است و تخمین میزان آن بیشتر حدسی و فرضی است و محدوده آن از 10000۰ تا 27000000۰ تریلیون فوت مکعب است. به نظر می رسد که میزان گاز در ذخایر هیدرات جهان بسیار بیشتر از حجم منابع دیگر انرژی است. گرچه تا به حال در مورد دسترسی و تولید این هیدرات های گاز تحقیق و پژوهش بسیاری صورت نگرفته است. هدف اولیه پژوهش های مربوط به هیدرات های گاز، بررسی پارامترهای زمین شناختی است که ایجاد هیدرات های گاز را در کنترل دارد.هدف دیگر، ارزیابی حجم گاز طبیعی ذخیره شده، درون انباشته های جهانی هیدراتهای گاز است.

مروري بر هيدرات هاي گاز

تحت شرايط مناسب دمايي و فشاري، هيدرات هاي گاز معمولاً يك ساختار كريستالي اوليه تحت عنوان ساختار 1 و ساختار 2 را تشكيل مي دهند. هر واحد سلولي ساختار 1 هيدرات گاز شامل 46 ملكول آب است كه دو فضاي تهي كوچك و 6 فضاي بزرگ تشكيل مي شود. ساختارهاي 1 هيدرات هاي گاز فقط مي توانند ملكول هاي كوچك گاز مثل متان و اتان، با قطر ملكولي كمتر از 2/5 آنگستروم را در خود جاي دهند. واحد سلولي ساختار 2 هيدرات هاي گاز شامل 16 dodecahedral (دودي كاهدرال) كوچك و 8 فضاي خالي بزرگ هگزاكايي دوكاهدرال است كه توسط 136 مولكول آب شكل مي گيرد.ساختار 2 هيدرات هاي گاز ممكن است داراي گازهايي با ابعاد ملكولي در محدوده 9/5 تا 9/6 آنگستروم مثل پروپان و ايزوبوتان باشد.در شرايط دما و فشار استاندارد (STP)، يك حجم از هيدرات اشباع شده متان (ساختار 1) داراي بيش از 164 حجم از گاز متان است. به علت اين ظرفيت عظيم ذخيره سازي گاز،اين هيدرات ها، منابع مهمي از گاز طبيعي محسوب مي شوند. در سطح ماكروسكوپي،بسياري از خواص مكانيكي هيدرات گاز مثل يخ است. چون هيدراتها داراي حداقل 85 درصد آب بر يك پايه ملكولي هستند. از همه جالب تر، خواص مرحله ي تعادل هيدرات هاي گاز است كه بيشتر توسط تناسب ملكول هاي ميهمان گاز، درون قفس هاي هيدرات آب كنترل مي شود. براي مثال اضافه كردن پروپان به يك هيدرات خالص متان،ساختار هيدرات را(از ساختار 1 به ساختار 2 ) تغيير مي هد.

هيدرات هاي گاز نواحي يخ زده و قطبي

به نظر مي رسد كه هيدرات هاي گاز ، در حوزه غرب سيبري وجود دارند و تصور مي شود كه در ديگر نواحي قطبي شمال روسيه، مثل ايالت تيمان-پچورا،كراتن شرق سيبري و شمال شرقي سيبري و نواحي كامچاتكا نيز وجود داشته باشند. هيدرات هاي گازدر نواحي قطبي شمال آلاسكا و ايالت هاي شمالي آمريكا نيز وجود دارند. از شواهد غير مستقيمي كه نتيجه حفاري چاه در اين نواحي بود به وجود هيدرات هاي گاز در دامنه شمالي آلاسكا پي برده شد و احتمال حضور لايه هاي متعدد هيدرات هاي گاز در ناحيه خليج پرودهو (Prudhoo) و حوزه هاي نفتي رودخانه كوپاروك را تأ ئيد مي كند. در يك پنجم از چاه هاي حفاري شده در ناحيه ي دلتاي مكنذي وجود هيدرات هاي گاز تأييد شده است و بررسي چاه هاي جزاير قطبي نشان مي دهد كه در نواحي قطبي، هيداراتهاي گاز در اعماق 130 تا 2000 متر وجود دارند.

هيدراتهاي گاز دريايي

وجود هيدراتهاي گاز در نواحي دريايي، عمدتاً نتيجه بازتاب غيرعادي لرزه اي است كه از محدوده منطقه ويژه مرزي هيدراتهاي گاز مي آيد. اين بازتابها عمدتاً به نام بازتاب تحريكي انتهايي يا BSR خوانده ميشوند.BSR ها در اعماق 100 تا 1100 متري از سطح دريا، نقشه برداري شده اند. هيدراتهاي گاز در لايه هاي رسوبي خليج مكزيك، بخش دريايي حوزه رودخانه Eel در كاليفرنيا، درياي سياه، درياي خزر و درياي Okhotsk پيدا شده اند.

همچنين، هيدراتهاي گاز در اعماق بيشتر زير سطحي در خليج جنوب شرقي امريكا، Black Kidge در خليج مكزيك، حوزه كاسكاديا نزديك اوريگان، كانال امريكاي مركزي، درياي پروو در نواحي شرقي و غربي ژاپن نيز كشف شده اند.

ارزيابي منابع هيدرات گاز

از آنجا كه هيدراتهاي گاز در نواحي قطبي و در لايه هاي رسوبي دريايي وجود دارند، ميتوانند يك منبع انرژي بالقوه محسوب شوند. پيش بيني هاي جهاني براي ميزان گاز طبيعي موجود در لايه هاي هيدرات گاز از 1020/5 تا 1062/1 تريليون فوت مكعب براي نواحي قطبي و از 1051/1 تا 1087/2 تريليون فوت مكعب براي لايه هاي رسوبي اقيانوسي است.پيش بيني هاي انتشار يافته در مورد منابع هيدراتهاي گاز نشان دهنده نوسانات قابل ملاحظه اي است. آخرين پيش بيني ها از ميزان متان در انباشته هاي جهاني هيدراتهاي گاز حدود 1057 تريليون فوت مكعب است اما به نظر ميرسد كه لايه هاي رسوبي اقيانوسي داراي منابع بيشتر و بزرگتري از گاز طبيعي هستند تا لايه هاي رسوبي قارها. هدف اصلي كار ارزشيابي و تخمين در مؤسسه پژوهشي زمين شناختي امريكا، تخمين زدن منابع هيدرات گاز در امريكا هم در نواحي ساحلي و هم در نواحي دريايي است. ارزيابي هيدراتهاي گاز براساس يك برنامه تجزيه و تحليلي، ايالت به ايالت انجام ميشود. ما تمامي هيدراتهاي گاز را بدون توجه به مسائل فني آنها، تعريف، توصيف و ارزيابي ميكنيم . بنابراين، اين ارزيابي، تنها با حجم منابع هيدراتهاي گاز موجود مربوط است، يعني ميزان گازي كه درون هيدراتهاي گاز بدون در نظر گرفتن بازيافت آن وجود دارد. در يك روش تجزيه و تحليلي، انباشته هاي بالقوه هيدروكربن، براساس خصوصيات زمين شناختيشان گروه بندي ميشوند سپس شرايط زمينشناختي بروز هيدروكربنها الگوبرداري ميشود. در اين روش ارزشيابي، زمين شناسان، در مورد عوامل زمين شناختي لازم براي تشكيل انباشته هاي هيدروكربن و عوامل زمين شناختي تعيين كننده اندازه آنها، بحث ميكنند. در يك ارزيابي،11 حوزه هيدرات گاز، در 4 ايالت نفتي دريايي و ساحلي كشف و براي هر حوزه ميزان هيدراتهاي گاز تخمين زده شد. پيش بيني هاي انجام شده براي هر كدام از اين 11 حوزه جمع آوري شدند تا كل منابع هيدرات گاز در ايالات متحده آمريكا تخمين زده شود. منابع موجود گاز درون هيدراتها در ايالات متحده امريكا بين 765/112 تا 110/676 تريليون فوت مكعب گاز البته با سطح احتمال 05/0 تا 95/0 است. گرچه اين آمار، همراه با درصد بالايي از شك و ترديد است، اما نشان دهنده ميزان بسيار زيادي گاز ذخيره شده در هيدراتهاي گاز هستند. ارزش كلي هيدراتهاي گاز محاسبه شده در امريكا حدود 222 تا 320 تريليون فوت مكعب گاز است. لازم به ذكر است كه حفاري هاي پژوهشي دريايي كه اخيراً درون منطقه ويژه اقتصادي امريكا در امتداد ناحيه شرقي اين كشور انجام شده است، وجود مقادير قابل توجهي از متان ذخيره شده را به عنوان هيدرات گاز جامد و گاز آزاد حبس شده زير هيدراتهاي گاز، تأييد ميكند.

توليد گاز از هيدراتهاي گاز

روشهاي پيشنهاد شده بازيافت گاز از هيدراتها معمولاً شامل تفكيك كردن يا ذوب كردن هيدراتهاي گاز به روشهاي زير است:

1)گرم كردن مخزن براي دماي تشكيل هيدرات

2)كاهش فشار مخزن زير موازنه هيدارت

3)تزريق يك مهاركننده مثل متانول يا گليكول درون مخزن براي كاهش شرايط تثبيت هيدرات.

البته در حال حاضر، بازيافت گاز از هيدراتها به تعويق انداخته ميشود چون هيدراتها معمولاً در نواحي خشن قطبي و نواحي عميق دريايي گسترده شده اند. اخيراً از يك سري مدلهاي تحريك گرمايي ساده هم براي ارزيابي توليد هيدرات گاز از آب گرم و جريانهاي بخاري استفاده شده است كه نشان ميدهد، گاز را ميتوان از هيدراتها به ميزان كافي توليد كرد به صورتي كه هيدراتهاي گاز به يك منبع قابل بازيافت تكنيكي تبديل شوند، گرچه هزينه زياد اين تكنيكهاي بازيافت پيشرفته گاز، جلوي بازيافت را ميگيرد. استفاده از مهاركننده هاي هيدرات گاز براي توليد گاز از هيدراتها از لحاظ فيزيكي امكان پذير است، گرچه، استفاده از حجم هاي زياد مواد شيميايي مثل متانول هزينه اقتصادي و زيست محيطي بالايي دارد. از ميان تكنيكهاي مختلف توليد گاز طبيعي از هيدراتها، اقتصادي ترين و به صرفه ترين روش، طرح فشار زدايي است. حوزه گازي Messoyakha در بخش شمالي حوزه غرب سيبري اغلب به عنوان يك مثال از توليد گاز از انباشته هاي هيدروكربن مورد استفاده قرار ميگيرد. از تمامي اطلاعات زمين شناختي براي تأييد حضور هيدراتهاي گاز در قسمت بالايي اين حوزه استفاده شده است. پيشينه توليد گاز از هيدراتهاي اين حوزه نشان ميدهد كه هيدراتهاي گاز يك منبع توليدي فوري از گاز طبيعي هستند و توليد را ميتوان با روشهاي هميشگي شروع و حفظ كرد. توليد طولاني مدت از بخش هيدراتگاز حوزه Messoyakha با برنامه ساده فشارزدايي قابل دسترسي است. توليد از بخش پاييني گاز آزاد اين حوزه در سال 1969 آغاز شد. گرچه در سال 1971، فشار مخزن از ميزان مورد انتظار انحراف پيدا كرد. اين انحراف به آزادسازي گاز آزاد از هيدراتهاي تفكيك يافته گاز نسبت داده ميشود. از اين حوزه تا به حال حدود 36 درصد (حدود 183 ميليارد فوت مكعب) گاز برداشت شده است.گرچه برخي محققان معتقدند كه گاز توليد شده از هيدراتها نبوده است.