Прошли те далекие времена, когда добытую из колодцев нефть заливали в кожаные мешки, грузили на верблюдов и везли на продажу. Современный нефтеперерабатывающий завод ежесуточно перерабатывает десятки тысяч тонн нефти и выпускает почти столько же продуктов ее переработки. Доставить на завод такое количество нефти и отправить потребителям продукты переработки — задача очень сложная. Ведь каждую минуту надо принимать и отправлять не менее одной-двух цистерн.
Наиболее надежно, удобно и дешево транспортировать нефть по нефтепроводу. Теперь у нас ежегодно прокладываются тысячи километров магистральных нефте- и газопроводов, по которым нефть и газ перекачиваются на большие расстояния. Это освобождает железные дороги от дорогостоящих перевозок нефтепродуктов. Прокладываются нефтепроводы из Татарии и Башкирии в Омск и Иркутск, газопроводы из Бухары на Урал, из Ставрополя в Москву, из Западной Украины в Ленинград и другие.
Работы по строительству нефте- и газопроводов полностью механизированы. Строительство начинается с прокладки трассы (пути) нефте-или газопровода. Затем вдоль трассы развозят трубы. При помощи экскаваторов-канавокопателей роют траншеи заданной глубины. Собранные в стык грубы сваривают. Для защиты от коррозии трубы изолируют специальными покрытиями, чаще всего из битума и асбестового картона, пропитанного битумом. Затем трубы опускают в траншею и после опробования и проверки швов засыпают землей.
На определенных расстояниях по трассе нефте- или газопровода сооружают насосные станции, оборудованные мощными насосами или компрессорами. Они перекачивают нефть или газ на большие расстояния до пункта назначения. Давление при перекачке достигает 50 и более атмосфер. Трубы имеют диаметр до метра и более.
Нефть и нефтепродукты перевозят также по воде на специальных судах — танкерах. Вся трюмная часть их разбита на отдельные резервуары — танки, в которые заливают перевозимый продукт. Перевозят нефть и в специальных нефтеналивных баржах.
По железной дороге нефть и нефтепродукты перевозят в цистернах емкостью 50 м³, Но здесь перевозки обходятся дорого. Это объясняется еще и тем, что в обратном направлении цистерны идут порожняком. В последнее время созданы цистерны из полимерных материалов для перевозки нефти по воде.
Все вы видели на улицах города автоцистерны, на которых крупными буквами написано: «огнеопасно». В них развозят бензин. При сливе бензина из цистерны ее обязательно заземляют. Иначе от трения бензина о стенки шланга возможно образование статического электричества, возникновение искры и взрыв бензиновых паров.
Хранение нефти и газа
Добытую на промыслах нефть не сразу транспортируют на нефтеперерабатывающие заводы. Не сразу полученные на заводах продукты отправляют потребителю. Некоторое время их хранят на промыслах, заводах и нефтебазах обычно в металлических резервуарах различной емкости. Наиболее распространены вертикальные цилиндрические резервуары. Их сооружают как на поверхности земли, так и под землей. Большое внимание уделяют борьбе с потерями от испарения легких частей при хранении нефти и бензинов. Потери особенно увеличиваются с повышением температуры продукта. Чтобы избежать этого, резервуары окрашивают алюминиевой краской, которая отражает солнечные лучи. Применяют поливку крыш и стенок резервуаров водой. Строят резервуары с плоской крышей, чтобы уменьшить газовое пространство.
|
| Газ можно хранить в искусственных и естественных подземных хранилищах. |
Однако все эти мероприятия не спасают от потерь самой ценной части нефти. При суточном изменении температуры в резервуаре, при откачке и наполнении резервуара вместе с выходящим из резервуара через дыхательный клапан воздухом уносится много паров бензина.
В резервуарах с плавающими крышами таких потерь почти нет: крыша плавает на поверхности нефтепродукта и газовое пространство отсутствует. Устраняются также потери при хранении легких продуктов под давлением в резервуарах сферической формы. В них обычно хранят сжиженные газы.
Все резервуары для снижения опасности пожара обносят земляным валом или ограждают кирпичной стеной. К резервуарам подведены трубы, по которым в случае опасности можно пустить пену и покрыть ею поверхность нефтепродукта. Тогда он не загорится.
Для хранения газа делают большие стальные баллоны, которые могут выдерживать высокое давление. Реже сооружают газгольдеры, в которых газ хранится под небольшим давлением. Лучше всего хранить газ в естественных подземных хранилищах. Ими могут служить выработанные нефтяные или газовые месторождения, хорошо изолированные пластами породы.
Нефть и газ приобретают все большее и большее значение в нашей жизни. Это не только самые лучшие виды топлива, но и ценнейшее сырье для химической промышленности.
Подземная газификация
В древности на Апшеронском п-ве, около Баку, и в Дагестане из отверстий в куполах храмов огнепоклонников вырывалось неугасимое пламя «вечных огней». Оно многие сотни лет было видно далеко вокруг.
Природные газы, скапливающиеся в недрах земли, часто выделяются на поверхность даже через мельчайшие трещины, легко загораются от молнии или случайной искры и горят затем уже многие годы, иногда сотни лет. Не зная причин этого явления, суеверные люди считали «вечные огни» священными, тщательно охраняли их и там, где они появлялись, строили храмы.
Теперь все знают, что там, где горят «вечные огни», ищи в земле природные сокровища!
Природный газ — ценнейшее топливо. Чаще всего он скапливается вблизи месторождений нефти, а иногда — в местах залегания ископаемых углей. Для его добычи достаточно пробурить скважины до газоносного пласта. После очистки от пыли и влаги газ можно передавать по трубам на большие расстояния. Горючий газ выделяется из жидкого топлива и ископаемого угля. Из угля горючий газ получают также искусственно.
|
| Схема подземной газификации угля. |
Ископаемый уголь лежит в земле пластами различной толщины. Бывают пласты толщиной в несколько десятков метров, но обычно они гораздо тоньше. Часто встречаются пласты толщиной 0,5 м и меньше.
Нередко бывает, что добывать уголь в шахтах трудоемко и невыгодно. Иногда и в его пластах встречается так много бесполезных примесей, что разрабатывать такие пласты совершенно нецелесообразно. Казалось бы, что такой уголь навсегда останется лежать в земле бесполезно для человека.
А нельзя ли превращать его в газ прямо в недрах земли, не вынимая на поверхность?
Решить эту проблему помогла идея подземной газификации угля. Ее творцом был великий русский ученый Д. И. Менделеев. Еще в 1888 г. он писал: «Настанет, вероятно, со временем даже такая эпоха, что уголь из земли вынимать не будут, а там, в земле, его сумеют превращать в горючие газы и их по трубам будут распределять на далекие расстояния».
Позднее мысль о возможности подземной газификации угля высказал знаменитый английский химик Рамзай.
Проекты подземной газификации угля высоко оценил В. И. Ленин. Он отмечал, что подземная газификация угля несет гигантскую техническую революцию в каменноугольное дело. Она превращает шахты как бы в громадные аппараты для выработки газа и освобождает горнорабочих от тяжелого подземного труда. В. И. Ленин особенно подчеркивал, что этот прогрессивный технический метод позволит использовать наиболее тонкие, низкосортные и не разрабатывавшиеся дотоле залежи угля.
Практически осуществить подземную газификацию оказалось по плечу лишь социалистическому общественному строю. Начало этому было положено еще в годы первой пятилетки.
Авторы проекта тогда использовали опыт газификации угля на поверхности земли. Ведь на газовых заводах размельченный уголь загружают в особые аппараты — газогенераторы, где его прокаливают без воздуха. Уголь при этом не горит, а разлагается. Из него выделяются пары, содержащие смолу и другие ценные вещества и светильный газ. Советские ученые решили прокаливать уголь под землей, не измельчая пласта.
С поверхности земли к углю пробуривают вертикальные скважины. Поток воздуха, нагнетаемый к угольному пласту, движется от одного ряда вертикальных скважин к другим через пористый пласт угля. Пласт поджигают.
Прогреваясь, он делается еще более пористым, в нем образуются трещины. И сопротивление движению газового потока через пласт угля уменьшается. Воздух беспрерывно нагнетается в одни скважины к горящему углю, а из других скважин постоянно выделяется горючий газ.
Там, где производится подземная газификация, не увидишь на поверхности земли характерных признаков угольной шахты — копра и эстакад с движущимися по ним вагонетками, пирамидальных террикоников. Толщу земли здесь пронизывают только вертикальные скважины. В теле угольного пласта они соединяются прожженными каналами. Под землей тоже нет ни штреков, ни электровозов, ни других машин.
|
| Турбины электростанции могут получать газ от подземной газификации угля. |
На поверхности в воздуходувном цехе работают мощные компрессоры. Они подают воздух по трубопроводам в дутьевые скважины и каналы. Здесь кислород воздуха при высоких температурах вступает в химическую реакцию с углеродом угля и образует горючий газ.
Через газоотводящие скважины, пробуренные на расстоянии 25-50 м от дутьевых, газ выводится на поверхность. Таким образом, из угольного пласта извлекаются только продукты газификации угля, а вся зола остается под землей. По мере сгорания угля процесс газификации постепенно перемещается на соседние участки, где бурятся новые скважины.
В нашей стране уже немало опытных и промышленных установок подземной газификации. Станции подземной газификации есть в Донбассе, Кузбассе.
В Мосбассе с 1940 г. действует станция подземной газификации «Подземгаз». Суточная выработка газа на ней — 1,3 млн. м³, что равно 400 Т угля. Создана также Шатская промышленная станция подземной газификации. Она дает энергию первой в мире газотурбинной электростанции. Вы не увидите здесь громоздких котельных установок, без которых не может обойтись ни одна электростанция, работающая силой пара. Вместо них от главного-корпуса электростанции тянутся трубы к подземному «газогенератору», расположенному на глубине около 60 м, в пласте угля.
Добытый под землей газ очищают. В скрубберах — вертикальных цилиндрических сосудах с циркулирующей водой — его охлаждают и очищают от пыли. Затем его пропускают через электрофильтры, в которых под действием электрического тока от газа отделяется смола. Очищенный газ попадает по трубам к газовой турбине электростанции. По принципу действия газовая турбина похожа на паровую, только па лопатки ее колес действуют не расширяющиеся водяные пары, а горячие продукты горения.
Тепло отработанного газа можно использовать для отопления. А из отходов, получаемых при его очистке, добывается много ценных продуктов: аммиак, фенол, нафталин, бензол, сера и т. д.
Шатская электростанция — пример предприятий будущего, где человек освободится от тяжелого подземного труда. Его работа здесь будет заключаться в управлении совершенными машинами и механизмами.
Металлургический завод
Уже в глубокой древности люди знали железо и умели пользоваться им. Греческий философ Аристотель, живший в 384-322 гг. до н. э., описывает способ получения некоторых сортов железа и говорит о землях, из которых железо извлекали. Земля, о которой он рассказывает, — это железная руда — химическое соединение железа с кислородом (окислы железа) в смеси с различными минералами (см. т. 2, ст. «Черные металлы»),
В самородном состоянии железо на Земле не встречается, так как оно окисляется. Человек стал пользоваться железом с тех пор, как научился получать его из руды.
Что же такое железо? Это химический элемент, один из самых распространенных металлов, входящих в состав земной коры. Однако железом называют не только химический элемент, но и металл, восстановленный из железной руды. Обычно в нем содержатся примеси, в частности немного углерода. Если углерода совсем мало — не больше 0,04%, то железо сохраняет свои физические свойства и свое название.
|
| Общая схема металлургического цикла: 1—коксовые печи; 2—штабеля руды и грейферный кран; 3—воздуходувка; 4—скиповая яма и наклонный мост доменной печи; 5—доменная печь; 6—воздухонагреватели (кауперы); 7—миксер; 8—ковш для заливки чугуна; 9—мартеновская печь; 10—разливка стали в изложницы; 11—обжимный стан (блюминг); 12—рельсобалочный стан; 13—готовый прокат. |
Если в железо входит больше углерода (от 0,04 до 1,7-2%), то оно становится тверже, хотя и сохраняет пластичность. Это — сталь. А если углерода еще больше — от 1,7-2% до 4-5%, железо теряет свои физические свойства: становится твердым и хрупким (рис. 1). Такой сплав железа с углеродом называют чугуном. В состав чугуна и стали, кроме железа и углерода, входят и другие химические элементы: кремний, марганец и т. д.
Искусные железодельцы и кузнецы научились придавать стали необходимые свойства — делать ее тверже. Для этого раскаленный металл погружали в воду. Этот способ — закалку — еще в XV в. до н. э. знали народы, населявшие тогда Малую Азию.
Вместе с усовершенствованием методов получения и обработки железа расширилась область его применения.
Паровые машины и электрические двигатели, железные дороги и исполинские корабли, машины для добычи угля, нефти, обработки полей и уборки урожая — все они сделаны из чугуна и стали. А нож и вилка, ведро и миска, утюг и дверная петля, топор и пила, игла и перо-это ведь тоже железо, сталь, чугун. Посмотрите вокруг себя, и вы убедитесь, что железо— всюду!
В странах с наиболее развитой промышленностью производится на душу населения более килограмма стали в день.
В 1959 г. в СССР выплавлено 60 млн. Т стали. За один месяц 1959 г. выплавлялось у нас больше стали, чем за весь 1913 г. К 1965 г. производство чугуна в нашей стране вырастет до 65-70 млн. Т, а стали до 86-91 млн. Т.
Что нужно для плавки
Весь процесс от подготовки руды до получения из нее металла необходимой формы называют металлургическим циклом.
Не всякая железная руда пригодна для плавки. Руд с большим содержанием железа, доступных для добычи, не так много, и для плавки приходится использовать руды, содержащие не более 25-40% железа, остальное — пустая порода.
Такую руду предварительно обогащают, т. е. уменьшают содержание пустой породы. Обогащенную руду называют концентратом. Содержание железа в ней при этом поднимается до 60% и более.
Разная руда требует разных способов обогащения. В одних случаях ее просто промывают водой. При этом более тяжелые частицы, содержащие железо, оседают на дно, а более легкие минералы уходят с водой. В других, чтобы отделить частички, содержащие железо, от пустой породы, пользуются магнитом. В наше время на многих рудниках строят обогатительные фабрики.
Доменный процесс, т. е. восстановление железа из окислов, сводится к простой химической реакции: газообразная окись углерода соединяется с входящим в окислы железа кислородом. Чтобы процесс развивался быстро, большие куски руды дробят на более мелкие.
|
| Шарик из чистого железа, ударившись о металлическую плитку, сплющится, стальной — подпрыгнет, чугунный — расколется. |
Но очень мелкую руду, например в виде порошка, нельзя грузить в печь. Ведь в печь постоянно вдувают под давлением воздух (иначе нет горения). А это неизбежно приведет к тому, что пылеватая руда будет выброшена (выдута) из печи прежде, чем успеет вступить в контакт с углеродом. Пылеватая руда затрудняет также прохождение газов сквозь слой сырых материалов и может нарушить весь доменный процесс. Между тем железная руда часто встречается в пылеватом состоянии. И был найден выход: пыль спекают — агломерируют.
Кроме руды, для плавки необходимо углесодержащее топливо (горючее). Его тоже надо подготовить. Прежде, лет 200 назад, для доменной плавки применяли древесный уголь. Выжиг высококачественного древесного угля был большим искусством. В угле не должно быть примесей, которые могут перейти в металл.
Куски хорошо выжженного древесного угля при падении на металлическую плиту звенят.
Но теперь очень небольшая часть чугуна (меньше одного процента) выплавляется на древесном угле. Ведь его использование в металлургии грозило истреблением лесов. Пришлось заменить древесный уголь каменным. Однако в нем содержится много примесей, которые вредно влияют на металл. Поэтому каменный уголь превращают в кокс. Уголь размалывают в тончайший порошок и погружают в высокие печи — камеры. 60-80 таких камер образуют коксовую батарею. Порошок прогревают так, чтобы в печи не попадал воздух. Угольный порошок спекается, получается словно каменноугольный пирог. С одной стороны к камере подходит машина, выталкивающая кокс из печи, с другой — железнодорожная платформа, на которую высаживается коксовый пирог (подробнее см. ст. «Превращения нефти и угля»),
Кокс увозят к тушильной башне. Там его заливают водой, и он разваливается на мелкие куски, которые падают на наклонную площадку. С нее кокс попадает на транспортер, по которому идет сначала на сортировку, а потом к домнам.
|
| Воздухонагреватель (каупер) |
Кокс лучше справится со своим делом, чем сырой уголь. Он порист и поэтому хорошо вступит в контакт с железной рудой. Он крепок и при падении с высоты не будет крошиться, не засорит печь. В коксе осталось гораздо меньше примесей, вредящих металлу. Часть их ушла вместе с «коксовым газом», который выделяется при нагреве угля. Из этого газа извлекут много продуктов для химической промышленности.
Руда и кокс приготовлены. Теперь для плавки нужен еще воздух. Без него — точнее, без кислорода — нет горения. Но воздух тоже нужно подготовить — прежде всего нагреть. Когда вдували холодный воздух, приходилось затрачивать слишком много древесного угля или кокса, производительность печей оставалась низкой. С переходом на горячее дутье процесс пошел гораздо быстрее, так как не надо затрачивать тепло в доменной печи для нагрева холодного воздуха внутри печи.
Каким же образом нагреть воздух? Для этого используют тепло самих домен — отходящие горячие газы. Их отводят по трубам к нагревателям (рис. 2) — кауперам. Это высокие башни, внутри разделенные по вертикали на две части. В одной половине сгорает поступающий в печь доменный газ, другая выложена огнеупорным кирпичом. В башню пускают доменный газ и воздух. Газ загорается и идет сначала к куполу башни, а потом опускается по каналам, проложенным в кирпичных насадках другой половины башни, отдавая кирпичу тепло.
Когда кирпич достаточно нагреется, доступ газа закрывают и в каупер впускают холодный воздух. Проходя между горячими кирпичами, воздух нагревается до 800-1000°. Затем его по трубам направляют к домне. Кирпичные камеры греют обычно около двух часов, после этого каупер в течение часа может подавать в домну горячий воздух. Поэтому для бесперебойной работы домны мало одного воздухонагревателя — нужны три-четыре. Из них два или три, как говорят металлурги, «стоят на газу», т. е. сами греются, а третий или четвертый в это время подает нагретый воздух в доменную печь.