До последнего времени считалось, что содержание метана в атмосфере не меняется, и он не рассматривался как загрязнитель. Однако недавно было установлено, что содержание метана в атмосфере возрастает еще быстрее, чем СО2 – 1% в год. За последние 200 лет содержание СН4 в атмосфере увеличилось с 650 до 1700 частиц/млрд. А ведь метан, как и СО2 , создает парниковый эффект.
При анализе изотопного состава атмосферного метана выяснилось, что основными «поставщиками» его являются бактерии, т.е. атмосферный метан в основном имеет биогенное происхождение. С чем же связано это усиление выработки метана бактериями? Оказалось, что прежде всего это происходит вследствие хозяйственной деятельности человечества. Загрязнение водоемов органическими и минеральными веществами вызывает бурное развитие сине – зеленных водоросли, которые после гибели разлагаются, поглощая кислород, растворенный в воде, и превращая водоемы в зловонные болота. При этом усиливаются процессы анаэробного, т.е. бескислородного, разложения органических веществ и водоемы становятся природными биореакторами – метантенками. Особенно большой вклад в загрязнение атмосферы метаном вносит сельскохозяйственная деятельность людей. Так, рисовые поля, заливаемые водой, в которой содержатся органические соединения, и переувлажненные почвы являются источниками метанового загрязнения. Анаэробная ферментация клетчатки и других сложных органических соединений в пищеварительном тракте некоторых животных также сопровождается образованием метана, который далее попадает в атмосферу. Выделение метана имеет место также в процессе анаэробного разложения мусора на свалках.
Учитывая все опасности, связанные с парниковым эффектом и возможными изменениями климата, человечеству необходимо как можно скорее оценить свой «вклад» в метановое загрязнение атмосферы и разработать меры борьбы с ним [13].
Сокращение выбросов метана.
Парниковый эффект от выбросов метана в 21 раз больше, чем от выбросов углекислого газа, поэтому сокращение выбросов СН4 имеет существенное значение. Источником этих выбросов являются в основном угольная и газовая отрасли [14].
Большинство каменноугольных пластов являются газоносными, удельное содержание метана в угле достигает 40 – 50 м3/т. Главная задача угледобытчиков заключается во взрывобезопасной эксплуатации угольной шахты, поэтому утилизация шахтного метана для них имеет второстепенное значение.
Газовая отрасль является вторым после каменноугольной промышленности потребителем добываемого природного метана. При этом 10 млрд м3 СН4 выбрасывается в атмосферу в виде организованных (технологически необходимых) и неорганизованных (утечек) выбросов.
Попутные газы нефтедобывающей промышленности сжигаются, как правило, на факельных установках и выбрасываются в атмосферу в виде СО2.
Основное направление – сокращение выбросов и утилизация антропогенных газов – это повышение эффективности использования органического топлива. Учитывая многократное отставание Российской экономики в энергоемкости выпускаемой продукции от большинства развитых стран Запада, необходимо уже в ближайшие годы заметно снизить энергоемкость. Энергосбережение должно превратится в приоритетную национальную задачу.
Сокращение выбросов шахтного метана может быть достигнуто за счет комплексной дегазации угольных пластов, заключающейся в заблаговременной и предварительной их дегазации, а также использования оставшегося количества метана в винтиляционной струе.
2.2 Природный газ – топливо и сырье
Газообразные, жидкие и твердые углеводороды широко распространены в природе, но в большинстве случаев встречаются не в виде чистых соединений, а различных, иногда очень сложных смесей. Такими смесями являются природные газы, нефть, горные воски [15].
Утилизация попутного нефтяного газа – важное и экономически выгодное дело. Известно, что с каждой тонной добытой нефти выделяется около 50м 3 газа, который в недавние времена сжигали в факелах, причиняя двойной ущерб – теряли ценное сырье и загрязняли атмосферу. Первым предприятием, на котором стали использовать попутный нефтяной газ, стала Сургутская ГРЭС. Намечается довести использование попутного нефтяного газа до 90%. Это стало не только экономической, но и экологической необходимостью.
Метан издавна считается у шахтеров злейшим врагом. Ведь несмотря на все меры предосторожности, ежегодно от подземных взрывов в шахтах, виновником которых является метан.
Таблица 1.
Состав газообразного топлива
| Компоненты | Содержание, % |
| Метан | 75-99 |
| Этан | 0,2-6,0 |
| Пропан | 0,1-4,0 |
| Бутан | 0,1-2,0 |
| Пентан | До 0,5 |
| Этилен | - |
| Пропилен | Содержатся |
| Бутилен | в отдельных |
| Бензол | месторождениях |
| Сернистый газ | |
| Компоненты | Содержание, % |
| Сероводород | |
| Диоксид углерода | 0,1-0,7 |
| Оксид углерода | 0,001 |
| Водород | До 0,001 |
Из таблицы видно, что состав природного газа достаточно сложен, при этом содержание сероводорода или его органических производных может достигать 5 – 25%.Поэтому прежде чем транспортировать природный газ по трубопроводам или использовать в качестве топлива, его подвергают предварительной обработке – осушке от водяных паров и очистке от серосодержащих веществ, которые могут препятствовать транспортировке газа и последующим технологическим операциям, вызывая коррозию трубопроводов, образование ледяных и гидратных метановых пробок, отравление катализаторов и т.д.
В последнее время уделяется особое внимание рациональному использованию спутника газовых месторождений – газового конденсат, представляющего собой жидкость, в состав которой входят взаиморастворенные газообразные и легкокипящие жидкие углеводороды [16].
Основной компонент природного газа – метан – является промышленным сырьем для получения водорода и синтез – газа. Паровую конверсию метана проводят при высокой температуре(350-8000С) и в присутствии катализатора.
СН4 + Н2О ↔СО + 3Н2
Полученную смесь оксида углерода и водорода называют синтез – газом. Эта смесь используется в качестве сырья для получения многих органических продуктов, например, метанола, высших спиртов, альдегидов, углеводородов.
Паровой каталитической конверсией метана получают более 75% всего используемого в промышленности водорода. Этот процесс является составной частью синтеза аммиака, который в свою очередь служит сырьем для получения азотных удобрений, красителей, азотной кислоты и т.д.
Водород из метана и других алканов можно получить и другим путем – высокотемпературным пиролизом.
Например:
СН4 →С + 2Н2 ↑
2СН4 →С2Н2 +3Н2
При окислительном пиролизе метана в присутствии ограниченного количества кислорода высокая температура поддерживается за счет сжигания части метана: 4СН4 +3О2→2С2Н2 +6Н2О
2.3 Метанол как источник энергии. Проблемы безопасности использования.
Последние события в мире показывают полную зависимость человечества от нефти и природного газа. Что будет, если нефть и газ закончатся? Ведь человек полностью зависит от их добычи. Но есть другой простой в обращении, удобный и безопасный в хранении носитель – метанол – жидкий кислородсодержащий углерод. Его получают из газа на основе ископаемых видов топлива.
В атмосферу метанол выбрасывается множеством источников природного происхождения. Его антропогенный выброс происходит главным образом во время испарения при использовании в качестве растворителя. В окружающей среде метанол быстро разлагается микроорганизмами с образованием СО2 и воды. Он обладает бесконечной растворимостью в воде [17].
Метанол – бесцветная жидкость со слабым запахом спирта, что в основном и вызывает негативное отношение к нему и сдерживает применение.
Метанол, как и другие моторные виды топлива, токсичен для человека. Он быстро попадает в организм при вдыхании и через пищеварительный тракт, медленнее при воздействии на кожу [18].
Случайный выброс метанола в окружающую среду в процессе его производства, транспортировки и хранения хотя и возможен, но не принесет большого вреда по сравнению с разливом нефти или бензина. Если большое количество метанола попадет на поверхность воды, то воздействие на экосистему будет отмечаться только в непосредственной близости от места утечки. Однако он быстро разбавится водой и рассеется в воздухе под действием ветра.
При разложении метанола не остается осадков, от которых необходимо очищать пляжи и прибрежные зоны, как после утечки сырой нефти. Утечки метанола не так опасны, как утечки бензина, потому что бензин содержит токсичные и канцерогенные компоненты (например, бензол), которые очень медленно разлагаются и длительное время остаются в окружающей среде.
2.4 Проблема загрязнения окружающей среды сернистыми соединениями, содержащимися в углеводородном сырье
Функционирование нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности создает множество экологических проблем. Наиболее актуальной является проблема загрязнения окружающей среды сернистыми соединениями, содержащимися в нефтях и газах.